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Fernando Ranieri
Sistema Supervisório de
Parâmetros de Máquinas Elétricas
via TCP/IP e Painel Eletrônico de
Mensagens
Dissertação apresentada à Escola de
Engenharia de São Carlos da
Universidade de São Paulo, sendo
parte dos requisitos para obtenção do
título de Mestre em Engenharia
Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Ivan Nunes da Silva
São Carlos
2007
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ii
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ii
iii
AGRADECIMENTOS
A realização deste trabalho só se tornou possível graças à colaboração direta
e indireta de muitas pessoas que cruzaram minha vida e principalmente a Deus.
Primeiramente à minha família, que sempre me apoiou e me ajudou nas horas
difíceis, bem como demais familiares.
Ao meu irmão Claudio, que sempre me ajudou nos meus projetos e que
sempre tinha soluções para resolver meus problemas.
Meus pais Rubens e Mariza que sempre me ajudaram quando precisei, e que
até hoje me ligam para saber se estou me alimentando direito.
A minha namorada Suelen, minha companheira, que me suportou todo esse
tempo, e que sempre me apoiou nas horas em que precisei.
Ao meu orientador, o Prof. Ivan Nunes da Silva, grande amigo, que sempre
me incentivou, me orientou e dedicou seu precioso tempo comigo.
Professor Paulo R. Veronese, e demais professores da EESC que sempre
me ajudaram com informações que tornaram esse projeto possível.
Aos colegas do LAIPS, Spatti, Suetake, Rodrigo, Cristiano e Sérgio pela
disposição em ajudar.
Aos meus principais amigos da graduação, Leandro Azeka, João Paulo da
Silva, Fábio Rosseto e Auricir Augusto.
Aos meus amigos da Escola Técnica Federal de São Paulo.
À FAPESP pelo suporte financeiro, sem a qual esse projeto não poderia ser
realizado.
E finalmente, aos meus grandes amigos da UNESP de Bauru, Marcelo
Cavachiolli e Gustavo Galli, que sempre me ajudaram e me incentivaram a chegar o
mais longe possível.
iv
v
RESUMO
RANIERI, F. (2007). Sistema Supervisório de Parâmetros de Máquinas Elétricas via
TCP/IP e Painel Eletrônico de Mensagens – Dissertação (Mestrado) – Escola de
Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2007.
Com o advento da internet, a comunicação entre sistemas remotos foi
amplamente facilitada, tornando viável a aplicação de sistemas supervisórios através
dela, principalmente via protocolo TCP/IP. Embora esses sistemas já sejam
empregados na indústria, principalmente utilizando como driver os controladores
lógicos programáveis (CLP’s), a implementação de qualquer sistema mais simples
de supervisionamento teria um custo elevado, devido tanto ao preço do hardware
quanto do software envolvido. Além disso, os programas supervisórios existentes
fornecem um número limitado de recursos de visualização, que se restringem
principalmente ao software. Assim, o que se propõe nesse trabalho é um sistema
supervisório de baixo custo, via TCP/IP, aplicado em máquinas elétricas, mas que
pode ser generalizado na supervisão de outros tipos de sistemas, onde o
monitoramento remoto é necessário. Além da exibição convencional dos parâmetros
supervisionados através de gráficos e labels, o sistema permite também que esses
sejam exibidos através de painéis eletrônicos, fornecendo assim, uma nova interface
visual ao usuário com o intuito de facilitar sua supervisão.
Palavras chave: Sistema supervisório via TCP/IP, máquinas elétricas, painel
eletrônico monocromático, painel eletrônico tricolor, protocolo TCP/IP.
vi
vii
ABSTRACT
RANIERI, F. (2007). Supervisory System of Electric Machine’s Parameter via TCP/IP
and Message Displays.
The advent of Internet simplified the comunication between remote systems,
allowing the application of supervisory systems through the Internet, mainly using the
TCP/IP protocol. Although these systems have already been employed in industry,
using the Programmer Logic Controller (PLC’s) as driver, the implementation of any
simple supervisory system could have an expensive cost, due to the prices of
hardware and software employed. Moreover, the existing supervisory systems
provide limited visual resources, restricted to the used software. So, this work
presents a low cost supervisory system, via TCP/IP, applied to electric machines but
it can be generalized in the supervision of differents types of systems, where the
remote monitoring is necessary. Besides the conventional displaying of the monitored
parameters through graphics and labels, the developed system allows the exhibition
of the supervisioned parameters using Eletronic Panels, providing an alternative
visual interface to the user so that their supervision becomes easier.
Keywords: Supervisory system via TCP/IP, electric machines, monochromatic
message display, tricolor message display, TCP/IP protocol.
viii
ix
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS.................................................................................................. III
RESUMO......................................................................................................................V
ABSTRACT................................................................................................................VII
LISTA DE FIGURAS...................................................................................................XI
LISTA DE TABELAS.................................................................................................XV
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS..................................................................XVII
1 INTRODUÇÃO......................................................................................................... 1
1.1 Motivação e Relevância do Trabalho ................................................................... 1
1.2 Objetivo e Justificativa da Dissertação................................................................. 2
1.3 Organização da Dissertação................................................................................ 3
2 ESTADO DA ARTE E ASPECTOS DE SISTEMAS SUPERVISÓRIOS ................ 5
2.1 Introdução ............................................................................................................ 5
2.2 Tipos de Sistemas Supervisórios......................................................................... 8
2.3 Composição Estrutural dos Sistemas Supervisórios............................................ 9
2.4 Sistemas Supervisórios via TCP/IP.................................................................... 12
3 ESTRUTURA DO SISTEMA SUPERVISÓRIO DESENVOLVIDO ........................ 21
3.1 Introdução .......................................................................................................... 21
3.2 Visão Geral do Sistema Supervisório Desenvolvido .......................................... 22
3.3 Sistema de Aquisição de Dados ........................................................................ 25
3.3.1 Aquisição da Temperatura do Motor e Temperatura Ambiente ................... 37
3.3.2 Aquisição da Corrente e Tensão de Armadura do Motor ............................. 41
3.3.3 Aquisição da Tensão da Rede Elétrica ........................................................ 43
3.3.4 Aquisição da Freqüência da Rede Elétrica .................................................. 47
3.3.5 Aquisição da Velocidade de Rotação do Eixo do Motor............................... 50
3.3.6 Aquisição dos Demais Parâmetros DC ........................................................ 57
3.3.7 Circuito Final de Aquisição........................................................................... 57
3.4 Sistema de Controle........................................................................................... 62
3.4.1 Controle da Velocidade de Rotação do Eixo do Motor DC .......................... 62
3.4.2 Circuito do Sistema de Ajuste de Tensão .................................................... 71
3.5 Sistema de Transmissão e Recepção de Dados via TCP/IP ............................. 73
x
3.5.1 Programa do Servidor ..................................................................................73
3.5.2 Programa do Cliente.....................................................................................79
3.6 Sistema de Supervisão de Parâmetros ..............................................................81
3.7 Sistema de Visualização de Parâmetros via Painel Eletrônico de Mensagens ..84
3.7.1 Painel Eletrônico Monocromático .................................................................89
3.7.2 Painel Eletrônico Tricolor..............................................................................97
3.8 Interface de Entrada via Controle Remoto Infravermelho.................................107
4 RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO
DESENVOLVIDO................................................................................................115
4.1 Introdução ........................................................................................................115
4.2 Módulos de Interface Visual do Sistema Supervisório......................................116
4.2.1 Visualização do Sistema Supervisionado através de uma Câmera Digital.116
4.2.2 Visualização do Sistema Supervisionado através de Labels......................118
4.2.3 Visualização dos Parâmetros Supervisionados através de Gráficos..........120
4.2.4 Visualização dos Parâmetros Supervisionados através de Painéis
Eletrônicos ...........................................................................................................121
4.3 Resultados do Sistema de Aquisição de Dados...............................................123
4.4 Resultados do Sistema de Controle da Velocidade de Rotação do Eixo do
Motor ...................................................................................................................125
4.5 Resultados do Sistema de Transmissão e Recepção de Dados via TCP/IP....129
4.6 Resultados do Sistema de Supervisão de Parâmetros ....................................140
4.7 Resultados do Sistema de Visualização de Parâmetros via Painel Eletrônico
de Mensagens .....................................................................................................143
4.8 Resultados da Interface de Entrada via Controle Remoto Infravermelho.........148
5 CONCLUSÕES .....................................................................................................153
BIBLIOGRAFIA........................................................................................................155
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Composição estrutural de um sistema supervisório do tipo
Monoposto............................................................................................................ 10
Figura 2.2. Composição estrutural de um sistema supervisório do tipo
Servidor/Cliente. ................................................................................................... 11
Figura 2.3. Composição estrutural de um sistema supervisório do tipo
Servidor/Multi-Clientes.......................................................................................... 11
Figura 2.4. Composição estrutural de um sistema supervisório do tipo Múltiplos
Servidores/Clientes............................................................................................... 12
Figura 3.1. Diagrama em blocos do sistema supervisório desenvolvido.................... 22
Figura 3.2. Ilustração da conexão entre motor, sistema de aquisição de dados,
sistema de ajuste de tensão do motor e computador servidor.............................. 28
Figura 3.3. Representação de um circuito multiplex de 8 canais de entrada. ............ 29
Figura 3.4. Sistema de aquisição – entradas analógicas. .......................................... 31
Figura 3.5. Sistema de aquisição – entrada pulsada.................................................. 36
Figura 3.6. Curva característica do NTC-10k............................................................. 37
Figura 3.7. Circuito para aquisição das temperaturas do motor e ambiente. ............. 39
Figura 3.8. Circuito para aquisição da corrente e tensão do motor............................ 41
Figura 3.9. Circuito para aquisição da tensão da rede elétrica. ................................. 44
Figura 3.10. Formas de onda no ponto A com a chave S aberta e fechada. ............. 44
Figura 3.11. Circuito para obtenção da freqüência da rede. ...................................... 48
Figura 3.12. Inversor lógico........................................................................................ 49
Figura 3.13. Circuito final para obtenção da freqüência da rede elétrica. .................. 50
Figura 3.14. Representação da hélice conectada ao eixo do motor........................... 51
Figura 3.15. Circuito projetado para aquisição da velocidade de rotação do eixo
do motor................................................................................................................ 52
Figura 3.16. Acoplamento mecânico entre o motor e o gerador DC. ......................... 54
Figura 3.17. Circuito para aquisição da velocidade de rotação do eixo do
gerador.................................................................................................................. 56
Figura 3.18. Circuito de aquisição final projetado....................................................... 59
xii
Figura 3.19. Oscilador externo projetado....................................................................60
Figura 3.20. Esquema de ligação do Driver/Receiver MAX232..................................61
Figura 3.21. Diagrama eletromecânico do motor DC..................................................65
Figura 3.22. Método da última sensibilidade...............................................................69
Figura 3.23. Circuito do sistema de ajuste de tensão................................................72
Figura 3.24. Diagrama das conexões de 3 clientes ao servidor. ................................78
Figura 3.25. Tipos de faixas de supervisão: (a) faixa de supervisão máxima; (b)
faixa de supervisão mínima; (c) faixa de supervisão intermediária. ......................82
Figura 3.26. Matriz de led catodo comum C-5570X....................................................90
Figura 3.27. Circuito de acionamento para 3 matrizes de led.....................................91
Figura 3.28. Seleção e escrita em uma das colunas do painel monocromático. ........93
Figura 3.29. Driver de acionamento das linhas do painel eletrônico
monocromático......................................................................................................95
Figura 3.30. Circuito de acionamento das colunas do painel eletrônico
monocromático......................................................................................................96
Figura 3.31. Diagrama esquemático da matriz colorida XMURG60C8.......................97
Figura 3.32. Diagrama esquemático do acionamento das colunas de uma matriz
de led colorida.......................................................................................................98
Figura 3.33. Multiplexação da porta P1 do AT89S52. ..............................................100
Figura 3.34. Diagrama simplificado de acionamento de uma única matriz de led
colorida................................................................................................................101
Figura 3.35. Representação do efeito de rolagem de cima para baixo de uma
dada mensagem..................................................................................................106
Figura 3.36. Organização dos bits transmitidos pelo controle infravermelho da
Sanyo. .................................................................................................................109
Figura 3.37. Diagrama de tempo para os dados enviados pelo LC7461M...............110
Figura 3.38. Forma de onda da portadora................................................................110
Figura 3.39. Módulo receptor de infravermelho TSOP1238......................................111
Figura 3.40. Circuito receptor de infravermelho........................................................111
xiii
Figura 4.1. Visualização do sistema através de uma câmera digital: (a) Imagem
do sistema vista pelo programa do servidor; (b) Imagem do sistema vista pelo
programa do cliente. ........................................................................................... 117
Figura 4.2. Visualização dos parâmetros através de labels: (a) Programa do
servidor; (b) Programa do cliente........................................................................ 119
Figura 4.3. Visualização dos parâmetros supervisionados através de gráficos: (a)
Programa do servidor; (b) Programa do cliente. ................................................. 121
Figura 4.4. Painéis eletrônicos projetados para exibição de dados e informações
do sistema supervisionado.................................................................................. 122
Figura 4.5. Aquisição dos parâmetros supervisionados pelo programa do
servidor............................................................................................................... 124
Figura 4.6. Exibição dos dados coletados através de labels.................................... 125
Figura 4.7. Resposta de ensaio ao degrau. ............................................................. 126
Figura 4.8. Resposta ao degrau utilizando o PID projetado..................................... 127
Figura 4.9. Resposta ao degrau modificando os coeficientes do PID projetado. ..... 128
Figura 4.10. Logs gerados no programa do cliente ao receber dados e imagens
do servidor. ......................................................................................................... 130
Figura 4.11. Configuração da ação de controle pelo programa do cliente. .............. 132
Figura 4.12. Configuração da ação de controle pelo programa do servidor............. 133
Figura 4.13. Implementação do chat no programa supervisório: (a) Chat no
programa do servidor; (b) Chat no programa do cliente 1; (c) Chat no
programa do cliente 2. ........................................................................................ 136
Figura 4.14. Tabela de clientes conectados............................................................. 138
Figura 4.15. Tabela do serviço câmera.................................................................... 138
Figura 4.16. Tabela do serviço dados. ..................................................................... 139
Figura 4.17. Edição das faixas de supervisão dos parâmetros supervisionados
pelo programa do servidor.................................................................................. 141
Figura 4.18. Seleção do tipo de faixa de supervisão................................................ 141
Figura 4.19. Edição dos patamares da faixa de supervisão selecionada................. 142
Figura 4.20. Programa para exibição de mensagens através dos painéis
eletrônicos........................................................................................................... 143
Figura 4.21. Programa do painel eletrônico implementado no servidor e no
cliente: (a) Programa do servidor; (b) Programa do cliente................................. 145
xiv
Figura 4.22. Tela de configuração de mensagens automáticas: (a) Mensagens
automáticas do painel de status; (b) Mensagens automáticas do painel de
dados...................................................................................................................146
Figura 4.23. Receptor de infravermelho projetado e controle remoto utilizado.........149
Figura 4.24. Edição da tensão de armadura do motor através do painel
eletrônico de status. ............................................................................................149
Figura 4.25. Edição da velocidade de rotação do eixo do motor através do painel
eletrônico de status. ............................................................................................150
xv
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1. Saída do circuito multiplex de 8 canais, em função de suas entradas
digitais................................................................................................................... 30
Tabela 3.2. Tabela verdade para o inversor lógico. ................................................... 49
Tabela 3.3. Valores tabelados para o PID discreto, utilizando o método proposto
por Ziegler-Nichols................................................................................................ 70
xvi
xvii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A/D – Analógico/Digital
BCD – Binary Coded Decimal
CLP – Controlador Lógico Programável
D/A – Digital/Analógico
DCS – Distributed Control Systems
ERB – Estação Rádio Base
EPROM – Erasable and Programable Read Only Memory
FTP – File Transfer Protocol
GPRS – General Packet Radio Services
HTTP – HyperText Transfer Protocol
IP – Internet Protocol
IPX/SPX – Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange
IRC – Internet Relay Chat
ISP – In System Programming
J-FET – Junction Field Effect Transistor
LSB – Least Significant Bit
MSB – Most Significant Bit
MSN – Microsoft Service Network
NETBEUI – NETBIOS Extended User Interface
NETBIOS – Network Basic Input/Output System
NTC – Negative Temperature Coefficient
PCS – Process Control Systems
PROM – Programable Read Only Memory
RAM – Random Access Memory
RED – Random Early Detection
RMS – Root Mean Square
ROM – Read Only Memory
SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition Systems
SMD – Surface Mounting Device
TCP – Transmission Control Protocol
WWW – World Wide Web
xviii
1
1 Introdução
1.1 Motivação e Relevância do Trabalho
O surgimento da internet teve um papel tão importante na sociedade como o
surgimento do telefone ou mesmo da imprensa. Através da internet, o fluxo das
informações foi alterado, de forma a permitir que qualquer pessoa conectada na
rede possa obter informações de qualquer assunto relevante em poucos segundos.
Essa facilidade de transmitir e receber informações de qualquer parte do
mundo possibilitou o emprego de sistemas supervisórios por intermédio da internet,
permitindo assim, que sistemas distantes geograficamente possam se comunicar,
sem que seja necessário um grande investimento para realizar essa comunicação.
No Brasil, as empresas têm utilizado principalmente sistemas supervisórios do
tipo SCADA, os quais utilizam como drivers os controladores lógicos programáveis
(CLP’s).
Outra alternativa encontrada pelas empresas é a utilização de placas de
aquisição que possuem software próprio, tais como as placas de aquisição da
National Instruments.
Entretanto, ambas alternativas apresentam o mesmo problema, ou seja, tanto
o hardware quanto o software empregado possuem custo muito elevados, que só se
justificariam se a planta industrial a ser controlada tivesse uma grande dimensão.
Assim, por mais simples que fosse o sistema a ser supervisionado, o custo
permaneceria o mesmo, o que na maioria das vezes inviabiliza o sistema de
supervisionamento.
2
Outra limitação dessas metodologias é que o usuário do sistema supervisório
fica limitado aos recursos do software adotado, que podem não prover todos os tipos
de serviços necessários pelo cliente.
Portanto, o desenvolvimento de um sistema supervisório mais compacto, mas
que possua um baixo custo agregado, é de suma importância, pois permitirá que
sistemas mais simples possam também ser supervisionados, sem a necessidade de
ter que arcar com os elevados custos quando se utiliza de sistemas supervisórios
comerciais.
1.2 Objetivo e Justificativa da Dissertação
O objetivo desta dissertação é apresentar um sistema supervisório via
TCP/IP, aplicado em máquinas elétricas, que possua um custo muito inferior ao das
alternativas mencionadas anteriormente, podendo ser aplicado na supervisão de
diferentes tipos de sistemas, sendo, portanto, uma alternativa viável na supervisão
remota de sistemas.
O sistema a ser supervisionado nesse projeto consiste de um motor DC, e os
parâmetros a serem supervisionados consistem de suas grandezas dinâmicas, tais
como corrente de armadura, tensão de armadura, temperatura do motor, velocidade
de rotação do eixo do motor, dentre outros.
Uma das propostas desse projeto é a utilização de uma câmera digital de
forma a permitir que cada cliente possa ter acesso à imagem do sistema em tempo
real, podendo assim, realizar uma inspeção visual do sistema, caso seja necessário.
Entretanto, a principal inovação em relação aos programas supervisórios
comerciais é a utilização de painéis eletrônicos para a exibição dos dados e
3
informações do sistema supervisionado, fornecendo assim, uma nova interface
visual de forma a facilitar sua supervisão.
Para esse projeto é proposta a utilização de dois painéis eletrônicos
conectados ao computador remoto (Cliente), sendo um monocromático e um tricolor.
O painel monocromático tem a função de exibir as mensagens de status e
informações do sistema, enquanto que o painel tricolor tem a função de exibir os
dados supervisionados.
Para este último painel, a cor de exibição de cada parâmetro é mostrada de
acordo com seu status em relação à sua faixa de supervisão pré-programada.
Assim, as cores representam uma função de status e não apenas um apelo visual,
como é o caso da maioria das aplicações dos painéis eletrônicos coloridos.
O projeto dos circuitos de acionamento dos painéis eletrônicos nessa
pesquisa representa uma nova contribuição, pois vem para desfazer o domínio
tecnológico presente nas indústrias de painel eletrônico, trazendo essa tecnologia
para o meio acadêmico, permitindo assim, que novos trabalhos nessa área possam
ser realizados a partir desse.
Uma interface de entrada via controle remoto infravermelho também é
proposta, permitindo que o usuário possa ajustar no painel de status a ação de
controle, utilizando-se para isso de um controle remoto convencional.
1.3 Organização da Dissertação
No Capítulo 2 são abordados o estado da arte e aspectos gerais dos sistemas
supervisórios, descrevendo suas partes constituintes, seus tipos e topologias.
4
No Capítulo 3 são tratadas as principais estruturas do sistema supervisório
desenvolvido, apresentando todas as metodologias empregadas desde o sistema de
aquisição de dados até o sistema de supervisionamento e exibição de parâmetros.
Todos os resultados obtidos a partir do sistema supervisório desenvolvido são
apresentados no Capítulo 4.
Finalmente, no Capítulo 5 são descritas as conclusões relativas ao trabalho
desenvolvido, enfatizando os temas de projetos futuros passíveis de serem
investigados a partir desse.
5
2 Estado da Arte e Aspectos de Sistemas
Supervisórios
2.1 Introdução
O advento da internet teve um impacto tão profundo na sociedade, como o
telefone ou mesmo a imprensa. Enquanto o telefone demorou cerca de 75 anos para
que o número de utilizadores chegasse a 50 milhões, a World Wide Web (WWW)
realizou o mesmo feito em apenas 4 anos.
Por intermédio da internet, alteraram-se as relações sociais, e o fluxo da
comunicação científica foi reestruturada, permitindo que a informação fosse
produzida e armazenada em diferentes espaços e acessada por usuários distantes
geograficamente, facilitando assim, o desenvolvimento de novas pesquisas.
No Brasil, o estado da arte na comunicação entre sistemas remotos está com
a utilização de sistemas de aquisição conectados a módulos de celular com
tecnologia GPRS. Por meio desses sistemas, torna-se possível transmitir os dados
adquiridos, via GPRS, a uma ERB (Estação Rádio Base), a qual os disponibiliza em
um IP, podendo assim, serem acessados por qualquer computador conectado à
internet.
Embora os sistemas remotos sejam amplamente utilizados nas mais diversas
áreas da engenharia e computação, na área de máquinas elétricas esse assunto é
relativamente novo, merecendo assim um destaque especial.
Nas últimas duas décadas, os sistemas de controle e supervisionamento
sofreram enormes mudanças com o advento dos computadores, que tem se tornado
6
dominante em todas as áreas da engenharia, tanto como ferramenta de análise e
projeto quanto como dispositivo de automação e controle de processos.
Em [1], compara-se os sistemas de controle clássicos com os controles do
tipo TCP/IP. A vantagem deste último em relação aos demais se deve ao
compartilhamento de dados entre programas supervisores e dispositivos,
possibilitando assim que diferentes sistemas se comuniquem, independentemente
da plataforma adotada.
Dessa forma, um servidor que execute seu programa em plataforma Linux
pode se comunicar com seus clientes que façam o mesmo em plataforma Windows.
No entanto, um dos problemas encontrados ao se fazer o controle via TCP/IP
se deve ao congestionamento na rede.
Em [2] é relatado que a qualidade de serviços utilizando a Internet, tais como
serviços de áudio e vídeo, é dependente da qualidade da rede.
Quanto mais precária for a qualidade da rede, menor terá que ser a qualidade
do tipo de serviço prestado, de forma a se enviar um número mínimo de bytes à
rede. Caso contrário, uma grande perda de pacotes poderia ocorrer, o que poderia
gerar uma realimentação positiva de pacotes, aumentando ainda mais seu
congestionamento.
Essa realimentação positiva se deve ao fato que todo pacote perdido na rede
terá que ser reenviado novamente. Nesse caso, a rede ficaria ainda mais
congestionada e se degradaria ao longo do tempo.
Se fosse necessário, por exemplo, transmitir imagens com uma maior
resolução, arquivos maiores teriam que ser enviados, o que acarretaria em um maior
número de bytes a serem transmitidos pelo servidor, e um maior tempo para se
receber a imagem pelo cliente.
7
A única maneira de se manter o mesmo intervalo de envio e recepção seria
aumentando a banda utilizada, o que acarretaria em maiores custos para se manter
o sistema, e mesmo assim, o problema de congestionamento na rede continuaria
sendo um fator crítico do sistema.
Embora novas arquiteturas, tais como o TCP/IP Differentiated Services,
tenham sido introduzidas para melhorar o tráfego, o problema de congestionamento
permanece crítico e de alta prioridade.
Como uma tentativa de melhorar o tráfego, são propostos em [2] esquemas
alternativos, tais como o Random Early Detection (RED) e suas variantes, de modo a
utilizar sistemas Fuzzy para se determinar o melhor intervalo de tempo para se
enviar os dados à rede, podendo obter dessa forma uma melhor qualidade para os
diversos tipos de tráfego.
Em [3], uma formulação canônica no Espaço de Estados é proposta, levando-
se em consideração a natureza não determinística do controle e dos atrasos obtidos
na rede. Segundo os autores, tais atrasos podem desestabilizar e degradar o
desempenho de sistemas teleoperados através da internet.
Um sistema supervisório pode ser definido como um sistema que monitora
processos executados em uma planta industrial, a partir da visualização das
variáveis do processo, bem como das ações tomadas pelo sistema de automação
[4].
Esses sistemas são empregados com a finalidade de tornar possível o
reconhecimento de possíveis falhas em componentes da planta, antes que estas
efetivamente ocorram.
8
Dessa forma, os sistemas supervisórios auxiliam o usuário na monitoração do
processo, de forma a identificar possíveis defeitos, e permitir a tomada de ações de
controle, de modo a manter um bom funcionamento do sistema.
2.2 Tipos de Sistemas Supervisórios
Os Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados, ou abreviadamente
SCADA, são sistemas que utilizam software para supervisionar as variáveis e
dispositivos do sistema, conectados por meio de drivers específicos [4].
Os drivers mais utilizados atualmente nos sistemas SCADA são os CLP’s, os
quais são compostos por sistemas microprocessados que desempenham funções de
controle de diversos tipos e níveis de complexidade [5].
O CLP é um equipamento com hardware e software compatível com
aplicações industriais, que utiliza uma memória programável para armazenar
instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica,
seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando por meio de
módulos de entradas e saídas vários tipos de máquinas ou processos.
Em [6] é descrita a supervisão de sistemas industriais através da utilização de
sensores e atuadores conectados a um único computador, o qual é responsável por
supervisionar e controlar o sistema, consistindo, portanto, de uma topologia
Monoposto ou Standalone. Se esse computador for ligado em rede, de forma a
permitir o compartilhamento de dados e informações do sistema entre vários
clientes, ter-se-á uma topologia Servidor/Multi-Clientes.
Estendendo essa idéia, os sistemas supervisórios podem assumir
basicamente quatro tipos de topologias, ou seja: Monoposto, Servidor/Cliente,
Servidor/Multi-Clientes, e Múltiplos Servidores/Clientes.
9
Na topologia Monoposto existe somente um computador, e este é
responsável por fazer a supervisão e controle do sistema.
Na topologia Servidor/Cliente existem dois computadores, sendo um com a
função de prover serviços (Servidor), enquanto o outro se utiliza desses serviços
(Cliente). Nesse caso, os dados coletados pelo servidor são acessados
remotamente por um único cliente conectado na rede, o qual é responsável pela sua
supervisão.
Na topologia Servidor/Multi-Clientes, há apenas um servidor de dados, mas
diferentemente da topologia anterior, existem múltiplos clientes que podem se
conectar simultaneamente ao mesmo servidor de dados e realizar sua supervisão.
A última topologia consiste de Múltiplos Servidores/Clientes. Nesse caso, ao
invés de haver somente um servidor de dados, múltiplos servidores podem estar
disponíveis, permitindo que cada cliente possa se conectar a mais de um servidor ao
mesmo tempo, provendo assim um maior número de serviços.
2.3 Composição Estrutural dos Sistemas Supervisórios
Os componentes físicos de um sistema de supervisão podem ser resumidos
de forma simplificada em: sensores e atuadores; rede de comunicação; estações
remotas (aquisição/controle); e estações de monitoração [4].
Os sensores são dispositivos que convertem grandezas físicas, tais como
velocidade, força e temperatura, em sinais analógicos, passíveis de serem lidos pela
estação remota.
Os atuadores são dispositivos que intervém sobre o sistema, de forma a
executar determinada ação de controle, como por exemplo, ligar ou desligar
determinada máquina ou equipamento.
10
O processo de aquisição de dados inicia-se nas estações remotas, que fazem
a coleta dos dados e posterior envio destes, por meio de sua rede de comunicação,
às estações de monitoração.
Existem vários tipos de rede de comunicação que podem ser utilizadas na
comunicação entre estações remotas e de monitoração, tais como cabos Ethernet,
fibras ópticas, linhas dial-up, rádio-modems, etc.
As estações de monitoração são as unidades responsáveis por coletar as
informações geradas pelas estações remotas e agir em conformidade com os
eventos detectados, podendo ser centralizadas em um único computador ou
distribuídas através de uma rede de computadores.
Nas Figuras 2.1 a 2.4 são representados os diagramas estruturais para os
quatro tipos principais de topologia de sistemas supervisórios, conforme mencionado
anteriormente.
Sistema
Atuadores
Sensores
Sistema de
Aquisição e
Controle
Estação
de Controle e
Monitoramento
Figura 2.1. Composição estrutural de um sistema supervisório do tipo Monoposto.
11
Sistema
Atuadores
Sensores
Sistema de
Aquisição e
Controle
Estação
Remota
Rede de
Comunicação
Estação
de
Monitora
ç
ão
Figura 2.2. Composição estrutural de um sistema supervisório do tipo
Servidor/Cliente.
Sistema
Atuadores
Sensores
Sistema de
Aquisição e
Controle
Estação
Remota 1
Rede de
Comunicação
Estação
de
Monitora
ç
ão 1
Estação
de
Monitora
ç
ão N
Rede de
Comunicação
Rede de
Comunicação
...
Estação
de
Monitora
ç
ão 2
Figura 2.3. Composição estrutural de um sistema supervisório do tipo
Servidor/Multi-Clientes.
12
Sistema 1
Atuadores
Sensores
Sistema de
Aquisição e
Controle
Estação
Remota 1
Rede de
Comunicação
Estação
de
Monitora
ç
ão 1
...
Sistema N
Atuadores
Sensores
Sistema de
Aquisição e
Controle
Estação
Remota N
Estação
de
Monitora
ç
ão M
Rede de
Comunicação
Rede de
Comunicação
...
Figura 2.4. Composição estrutural de um sistema supervisório do tipo Múltiplos
Servidores/Clientes.
2.4 Sistemas Supervisórios via TCP/IP
No Brasil, os sistemas supervisórios via TCP/IP têm sido utilizados em
diversas aplicações. Em [7], Cagnon e Fontes propõem a utilização do programa
supervisório Elipse SCADA para gerenciar e racionalizar os recursos utilizados em
um viveiro de mudas. Nesse projeto, é empregada uma unidade remota de
sensores, a qual coleta e transmite os dados via RF a um concentrador de dados,
enquanto um CLP é utilizado para controlar as válvulas e bombas, a fim de
proporcionar o fornecimento de água e nutrientes às mudas e sementes do viveiro.
13
Segundo os autores, a utilização de sistemas supervisórios na automação de
sistemas de produção constitui uma alternativa vantajosa, pois, além da flexibilidade
que oferecem, visa também o uso racional dos recursos e a qualidade no processo
produtivo.
Trabalho semelhante a esse é apresentado por Saraiva e Cansado em [8],
onde é utilizado um sistema supervisório via TCP/IP para monitorar e controlar uma
casa de vegetação. Em tal trabalho, um CLP é utilizado para o controle da
temperatura, umidade do ar e outras variáveis de interesse da estufa. Segundo os
autores, a automação de casas de vegetação desempenha um papel fundamental,
pois possibilita o controle apropriado para a produção agrícola de forma otimizada,
além de reduzir os custos por unidade de produção, visando sempre o aumento da
qualidade.
Em [9] é discutido que a introdução crescente de sistemas de automação
industrial torna cada vez mais complexa a tarefa de monitorar, controlar e gerenciar
os sistemas produtivos. Dentre os diversos sistemas de controle e gerenciamento de
produção, os que mais têm se difundido segundo os autores são os PCS, os SCADA
e os DCS.
Uma IHM de supervisão de um CLP foi desenvolvida por Pupo e Gonzaga em
[10], sendo utilizada no controle de processos por intermédio da internet. As IHM são
interfaces amigáveis e eficientes, sendo construídas visando os operadores como
usuários finais.
Os sistemas de supervisão e monitoramento por meio da internet são também
abordados em [11], onde é discutido que atualmente os sistemas supervisórios
podem ter uma arquitetura aberta, ligados em rede, possibilitando que o fluxo de
14
dados do processo ultrapasse o limite das paredes da empresa e percorra o mundo
usando dos meios de comunicação existentes.
Em [12], é proposto um sistema supervisório via internet para o
monitoramento do sistema de esgoto sanitário da CAESB (Companhia de
Saneamento Ambiental do Distrito Federal). Nesse sistema, um CLP é utilizado para
a coleta da vazão e do nível do poço de sucção, e similarmente a esse projeto, é
utilizada uma câmera digital no sistema. Entretanto, ao invés de monitorar o sistema,
essa é utilizada para a vigilância patrimonial da unidade.
Uma metodologia para a implantação de laboratórios controlados através da
internet é apresentada em [13], de modo a permitir o desenvolvimento de
experimentos remotos na área de automação e robótica.
Sistemas de automação teleoperados via internet são estudados em [14].
Nesse trabalho, é apresentado um robô wireless controlado remotamente através da
internet. Com a utilização de uma câmera digital instalada no robô, o usuário pode
fazer sua movimentação através do teclado, baseado nas imagens recebidas pela
rede.
Da mesma forma que em [14], é apresentado por Goldberg et. al. em [15] um
robô controlado por meio da internet, o qual usando de um braço mecânico pode
jogar jogos de tabuleiro.
Segundo Hu et. al. em [16], os sistemas teleoperados pela internet devem
possuir um alto grau de autonomia e inteligência local, de forma a contornar
problemas de atraso na rede e largura de banda limitada.
A vantagem de se monitorar e controlar um sistema remotamente é poder
realizar tarefas perigosas sem expor os trabalhadores a algum tipo de risco [17]. Por
15
essa razão, tais sistemas são essenciais em usinas nucleares, químicas,
plataformas de petrolíferas, etc.
Em [18] é proposta a utilização da linguagem de programação Java para se
realizar o controle e monitoração remota de sistemas através da internet. Segundo
os autores, o Java tem a vantagem da portabilidade e independência de plataforma,
permitindo realizar o controle e supervisão do sistema por meio de qualquer
navegador de internet.
Entretanto, o Java não gera arquivo executável, o que faz com que o usuário
tenha que possuir o plugin de Java instalado na máquina.
O sistema supervisório desenvolvido nessa pesquisa utiliza como linguagem
de programação o Borland Delphi, o qual além de ser atualmente um dos
compiladores mais rápidos em disponibilidade, gera arquivos executáveis que não
dependem de outros arquivos ou DLLs. Além disso, a interface de programação do
Delphi é bem mais amigável e intuitiva do que a do Java, e por essa razão, foi o
compilador adotado nesse projeto.
Em [19], é apresentado um sistema de telemanufatura através da internet
aplicado ao processo de oxicorte. Com a utilização de uma webcam, o processo
realizado pela máquina de oxicorte é controlado e supervisionado remotamente.
Na pesquisa realizada por Luo et. al. em [20], são apresentadas as vantagens
e oportunidades que a internet trouxe nos mais variados campos de trabalho,
ressaltando o uso da internet no controle de máquinas e processos remotamente, e
mostrando algumas de suas limitações, tais como: perda de dados; atraso na rede;
problemas de transmissão segura de dados, etc.
Dessa forma, conclui-se que os sistemas supervisórios via TCP/IP são uma
poderosa ferramenta no monitoramento e controle de sistemas, permitindo que
16
informações de um processo possam ser acessadas por qualquer computador
conectado à rede, podendo ser empregados nas mais diversas áreas e aplicações.
Para se descrever o funcionamento de um sistema supervisório via TCP/IP,
torna-se necessário primeiramente definir os elementos básicos de uma rede de
computadores. Não sendo o foco desse trabalho o aprofundamento nesse assunto,
serão apresentados a seguir apenas os elementos básicos para a compreensão do
funcionamento de um sistema supervisório via internet.
Assim, primeiramente, para que dois computadores possam compartilhar
informações entre si, é necessário que estes adotem as mesmas regras para o envio
e recepção de informações. O conjunto dessas regras é denominado Protocolo de
Comunicação [6]. Portanto, para que computadores em uma mesma rede possam se
comunicar é necessário que estes utilizem o mesmo protocolo de comunicação.
No início da internet, os principais protocolos de comunicação utilizados eram
os listados a seguir:
- TCP/IP.
- NETBEUI.
- IPX/SPX.
- Apple Talk.
Entretanto, com a popularização da internet e o aumento exponencial do
número de usuários, o protocolo TCP/IP tornou-se um padrão mundial.
O protocolo TCP/IP não é formado somente pelo protocolo TCP e pelo
protocolo IP, mas sim por um conjunto de protocolos sobre o qual a internet e a
maioria das redes comerciais funcionam, sendo o TCP e o IP os mais conhecidos e,
17
por essa razão, o nome desse conjunto de protocolos acabou sendo batizado de
protocolo TCP/IP [21].
Em uma rede que utiliza o protocolo TCP/IP, todos os equipamentos da rede
(servidores, hubs, switchs, impressoras de rede, etc) precisam ser identificados na
rede através de dois números, os quais são definidos por:
- Máscara da Sub-Rede
- Número IP
O número IP e a Máscara da Sub-Rede são formados por 4 octetos, conforme
mostrado a seguir:
Número IP = X . Y . Z . W
Mascara da Sub-Rede = A. B. C. D
onde cada octeto (X, Y, Z, W, A, B, C e D) pode variar de 0 a 255, sendo, portanto,
um número de 8 bits, mas que normalmente é representado na sua forma decimal
[22].
O número IP serve para identificar a máquina na rede. Portanto, duas
máquinas em uma mesma rede não podem possuir o mesmo número IP.
A Máscara de Sub-Rede serve para identificar a sub-rede a qual determinado
computador pertence. Os valores convencionais para esses octetos são 0 ou 255,
mas também podem ser usados valores intermediários entre esses dois valores,
embora não seja o usual.
As classes dos números IP e as correspondentes configurações das
Máscaras da Sub-Rede não serão abordadas nessa pesquisa, pois o foco desse
18
trabalho é explicar como o programa do servidor se comunica com o programa do
cliente.
Portanto, pode-se dizer que esses dois parâmetros identificam o computador
na rede, mas para que um determinado programa se comunique com outro por meio
da internet é necessário atribuir a ele um número de identificação de porta. Este
número serve para diferenciar o programa dos demais aplicativos do computador
que acessam a internet, de modo que cada tipo de serviço possua um número
exclusivo de identificação de porta.
Existe em cada computador uma quantidade de 65536 portas TCP,
numeradas de 1 a 65536. Cada porta pode ser utilizada por um programa ou serviço
diferente, de forma que em um mesmo servidor, poderia se ter até 65536 diferentes
tipos de serviços ativos simultaneamente [6].
As portas TCP mais utilizadas são as portas de 1 a 1024, que são reservadas
para os serviços mais conhecidos, como FTP, servidores de e-mail, HTTP, etc.
Portanto, as portas de 1 a 1024 são em geral bloqueadas, não podendo assim,
serem utilizadas pelo usuário [21].
Dessa forma, para o sistema supervisório desenvolvido nessa pesquisa,
pode-se utilizar qualquer porta na faixa de 1025 a 65536, de forma a se realizar a
comunicação entre o programa do servidor e do cliente.
A topologia adotada para o sistema supervisório consiste da Servidor/Multi-
Clientes, pois como só se tem um sistema de aquisição e um único sistema a ser
monitorado, não há razão para se utilizar um sistema com mais de um servidor.
Definido assim as configurações de rede e a topologia adotada, para que um
cliente se conecte ao servidor de dados, é necessário que este conheça seu número
IP e seu número de identificação de porta.
19
Para que o servidor se comunique com o cliente, ele precisará também
conhecer seu número IP. Entretanto, este número é obtido quando um cliente faz
uma solicitação de conexão ao servidor, pois nesse caso, o número IP do cliente
ficará registrado no cabeçalho de solicitação do datagrama IP enviado.
Portanto, em um sistema supervisório via TCP/IP, apenas o cliente precisa
conhecer o número IP e a porta de comunicação utilizada pelo programa do servidor,
já que o servidor obtém essas informações do cliente, quando este faz uma
solicitação de conexão.
20
21
3 Estrutura do Sistema Supervisório
Desenvolvido
3.1 Introdução
Nesse capítulo será descrito o sistema supervisório desenvolvido, iniciando
com uma visão geral do sistema, seguida de uma explicação detalhada de suas
partes constituintes.
As estruturas que compõem o sistema supervisório são:
- Sistema de Aquisição de Dados.
- Sistema de Controle.
- Sistema de Transmissão e Recepção de Dados via TCP/IP.
- Sistema de Supervisão de Parâmetros.
- Sistema de Visualização de Parâmetros via Painel Eletrônico de
Mensagens.
- Interface de Entrada via controle Remoto Infravermelho.
Na Seção 3.2 é apresentada a visão geral do sistema supervisório
desenvolvido.
Na Seção 3.3 é abordado o Sistema de Aquisição de Dados, onde é
apresentado o hardware projetado, bem como as metodologias adotadas para se
realizar a aquisição de cada parâmetro supervisionado.
Na Seção 3.4 é descrito o Sistema de Controle utilizado para se controlar a
velocidade de rotação do eixo do motor DC.
22
Na Seção 3.5 é apresentado o Sistema de Transmissão e Recepção de
Dados via TCP/IP, descrevendo os programas do cliente e do servidor, responsáveis
por fazer a supervisão do sistema, bem como o acionamento dos painéis eletrônicos.
O Sistema de Supervisão de Parâmetros é discutido na Seção 3.6, e enfoca
a metodologia adotada para se realizar a supervisão dos parâmetros do sistema.
Na Seção 3.7 é descrito o Sistema de Visualização de Parâmetros via Painel
Eletrônico de Mensagens, onde são abordados o hardware e software desenvolvidos
para os dois tipos de painel eletrônico utilizados no projeto, de modo a permitir a
visualização dos parâmetros monitorados através destes.
Por fim, na Seção 3.8 é apresentada a Interface de Entrada via Controle
Remoto Infravermelho, empregada para se ajustar a velocidade de rotação ou
tensão do motor DC, utilizando-se de um controle remoto infravermelho.
3.2 Visão Geral do Sistema Supervisório Desenvolvido
Na Figura 3.1 é ilustrado o diagrama em blocos do sistema de supervisão e
exibição de parâmetros proposto nesse projeto.
Figura 3.1. Diagrama em blocos do sistema supervisório desenvolvido.
23
Como se pode visualizar por esse diagrama, o bloco mais à esquerda da
figura corresponde ao sistema a ser monitorado, que para esse projeto consiste de
um motor DC.
O bloco seguinte corresponde ao sistema de aquisição de dados, onde os
parâmetros de interesse do sistema são coletados, digitalizados e enviados ao
computador servidor.
Para a aquisição de cada parâmetro do sistema são utilizados sensores e
circuitos especialmente projetados, de forma a transformar as grandezas a serem
medidas em tensões analógicas passíveis de serem medidas.
Utilizando-se de circuitos de condicionamento de sinais, essas tensões são
condicionadas de acordo com a máxima tensão de entrada permitida para o
conversor A/D utilizado.
Na próxima seção será mostrado que dentro desse bloco há um circuito
multiplexador, que faz com que os sinais de entrada sejam selecionados e
digitalizados um de cada vez, de forma a se utilizar apenas um conversor A/D no
sistema de aquisição.
Os parâmetros digitalizados do sistema são então armazenados
temporariamente nos registradores do microcontrolador utilizado, e posteriormente
enviados via porta serial ao computador servidor.
O computador servidor é responsável tanto por encapsular e enviar os dados
via TCP/IP aos clientes conectados, como o de fazer o acionamento do sistema de
ajuste de tensão do motor.
Esse sistema de ajuste é constituído por um microcontrolador, responsável
por controlar um conversor Digital/Analógico (D/A) conectado a um driver de
corrente. Dessa maneira, ao receber um valor de tensão a ser ajustado, o
24
microcontrolador acionará convenientemente o conversor D/A, regulando assim na
saída do driver de corrente, a tensão requerida pelo cliente.
No caso do cliente desejar ajustar a velocidade de rotação do eixo do motor,
foi projetado um controlador PID discreto no próprio programa do servidor, de modo
que este último calcula a ação de controle (tensão a ser ajustada no motor) e a envia
ao sistema de ajuste de tensão. Dessa forma, a cada período de amostragem é
calculada uma nova ação de controle e enviada ao sistema de ajuste de tensão,
regulando dessa forma, a velocidade de rotação do eixo do motor, de acordo com o
valor desejado pelo usuário.
Além dos parâmetros monitorados do sistema, a imagem deste também é
obtida utilizando-se de uma câmera digital. Nesse caso, os bytes da imagem são
encapsulados via TCP/IP, e enviados aos clientes conectados, permitindo assim,
que cada cliente possa realizar uma inspeção visual do sistema.
O computador remoto (Cliente) tem a função de verificar a faixa de supervisão
pré-programada para cada parâmetro de entrada do sistema, bem como a indicação
de seus valores nos painéis eletrônicos.
Por intermédio do programa do cliente, o usuário pode enviar comandos ao
servidor solicitando o ajuste da tensão de alimentação do motor DC ou requerendo o
ajuste da velocidade de rotação do seu eixo.
Em ambos os casos, ao receber esse tipo de comando, o computador
servidor enviará ao microcontrolador que controla o conversor D/A, um valor de
tensão a ser ajustado, de modo que este último regule a tensão requerida.
Os painéis eletrônicos são controlados pelo computador cliente, entretanto,
podem também ser acessados pelo servidor. Estes foram projetados de forma a
25
possuírem um hardware dedicado à exibição de mensagens, não sobrecarregando
assim o processamento do computador cliente.
O acesso a eles é realizado utilizando-se da porta serial do computador
cliente, ou seja, via protocolo RS-232. Dessa forma, para a exibição de uma única
mensagem no painel, basta o cliente enviar ao painel escolhido os bytes da
mensagem a ser exibida, bem como os bytes que representam o efeito e velocidade
da mensagem, conforme selecionados no programa do cliente.
Conforme será explicado na Seção 3.7, cada painel possui um único
microcontrolador, o qual é responsável por fazer o acionamento das suas
respectivas matrizes de led. Dessa forma, o programa de cada microcontrolador tem
que se comunicar ao mesmo tempo com o computador cliente, como também fazer
a exibição das mensagens no painel.
3.3 Sistema de Aquisição de Dados
Nessa seção serão descritas as técnicas e metodologias adotadas na
aquisição de cada parâmetro sob supervisão do sistema. Entretanto, é preciso
primeiramente mencionar quais são os parâmetros de interesse a serem
supervisionados.
Como o sistema adotado consiste de um motor DC, foram então escolhidos
parâmetros do motor, da rede elétrica, parâmetros externos e do próprio sistema de
aquisição. Esses parâmetros são listados a seguir:
Parâmetros do Motor
- Tensão de Armadura do Motor.
- Corrente de Armadura do Motor.
26
- Velocidade de Rotação do Eixo do Motor.
- Temperatura do Motor.
Parâmetros da Rede Elétrica
- Tensão da Rede.
- Freqüência da Rede.
Parâmetros Externos
- Temperatura Ambiente.
- Tensão de Alimentação do Sistema Microprocessado.
- Tensão DC Externa.
A Tensão DC Externa consiste de uma tensão DC variável, ajustada através
de um potenciômetro, utilizada para calibrar o sistema de aquisição e para testar o
sistema de supervisão de parâmetros descrito na Seção 3.6.
Uma observação referente aos parâmetros dinâmicos do motor é que não foi
incluído seu torque elétrico, pois se pode obter mais facilmente esse valor através da
Equação (3.1).
T
e
= k
t
.
φ
P
.i
a
(3.1)
onde:
T
e
– Torque Elétrico do Motor
[]
.
N.m
k
t
– Constante de Torque Elétrico
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
Wb.A
N.m
.
27
φ
P
– Fluxo Magnético por pólo
[
]
Wb
.
i
a
– Corrente de Armadura do Motor
[
]
A
.
Como o motor DC utilizado nesse projeto consiste de um motor de imã
permanente, é comum o fabricante embutir a constante de torque elétrico, que
depende de fatores construtivos do motor, tendo o valor do fluxo magnético por pólo
em uma única constante. Dessa maneira, a equação anterior se resume à Equação
(3.2), ou seja :
T
e
= K
t
.I
a
(3.2)
onde:
T
e
– Torque Elétrico do Motor
[
]
N.m
K
t
– Constante de Torque Elétrico
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
A
N.m
i
a
– Corrente de Armadura do Motor
[
]
A
Pela equação anterior, tem-se que o torque elétrico do motor será diretamente
proporcional à sua corrente de armadura. Como o valor da corrente é um dos
parâmetros adquiridos pelo sistema, necessita-se apenas conhecer o valor da sua
constante de torque elétrico, a qual pode ser obtida diretamente a partir das
especificações do fabricante do motor.
Por meio dessa metodologia determina-se o torque elétrico mais facilmente
do que utilizando um circuito complexo para a medição do mesmo.
28
Para o sistema supervisório desenvolvido, utilizou-se um motor DC de imã
permanente de 12V e corrente nominal de 200mA sem carga.
Na Figura 3.2 é ilustrada a conexão entre motor, sistema de aquisição de
dados, sistema de ajuste de tensão do motor e computador servidor.
Sistema de Ajuste de
Tensão do Motor
Sistema de Aquisição
de Dados
Computador Servidor
Circuito de
Aquisição Analógica
e Condicionamento
de Sinais
Motor DC
Figura 3.2. Ilustração da conexão entre motor, sistema de aquisição de dados,
sistema de ajuste de tensão do motor e computador servidor.
Nessa figura, o Circuito de Aquisição Analógica e Condicionamento de Sinais
tem a função de converter os parâmetros a serem supervisionados em tensões
analógicas, passíveis de serem medidas. Para isso, são utilizados sensores e
circuitos especialmente desenvolvidos para a aquisição de cada tipo de parâmetro a
ser supervisionado.
Após essa conversão, o sistema de aquisição de dados faz a digitalização e
posterior envio dos dados coletados ao computador servidor.
Como mencionado brevemente na introdução, o sistema de aquisição de
dados consiste de um circuito multiplex conectado a um conversor A/D, e este último
29
a um microcontrolador. A saída de cada circuito de condicionamento de sinal é
conectada a uma das entradas do circuito multiplex.
Como será explicado no fim dessa seção, para a aquisição da freqüência da
rede elétrica não foi utilizado o conversor A/D do sistema de aquisição, mas as
entradas pulsadas do próprio microcontrolador. Para isso, foi projetado um circuito
conveniente de forma a gerar pulsos diretamente proporcionais ao valor atual desse
parâmetro.
Portanto, como se tem um total de nove parâmetros a serem monitorados,
oito são coletados a partir do conversor A/D e um por intermédio das entradas
pulsadas do próprio microcontrolador.
Como se pretende utilizar apenas um conversor A/D no sistema de aquisição,
é necessário utilizar um circuito multiplex de 8 canais de entrada, de modo que este
faça a seleção da entrada analógica a ser digitalizada.
Um circuito multiplex de 8 canais de entrada é representado na Figura 3.3:
Figura 3.3. Representação de um circuito multiplex de 8 canais de entrada.
Nessa figura, as entradas analógicas do circuito são selecionadas através das
entradas digitais (A, B e C). Uma determinada entrada analógica é selecionada e
30
chaveada para a saída do circuito, conforme o valor atual desses 3 bits. Os
possíveis valores de entrada e saída correspondente são mostrados na Tabela 3.1.
Tabela 3.1. Saída do circuito multiplex de 8 canais, em função de suas entradas
digitais.
Entradas Digitais
A B C
Saída
0 0 0 E
1
0 0 1 E
2
0 1 0 E
3
0 1 1 E
4
1 0 0 E
5
1 0 1 E
6
1 1 0 E
7
1 1 1 E
8
Assim, por exemplo, se os valores dos bits de seleção ABC forem
respectivamente 010, a entrada selecionada seria a entrada E
3
e, portanto, qualquer
sinal presente nessa entrada apareceria na saída do circuito multiplex.
Dessa forma, foi utilizado esse mesmo circuito multiplex no projeto, de modo
a chavear os 8 sinais analógicos do sistema, sendo cada sinal selecionado e
digitalizado por vez, necessitando assim, utilizar apenas um único conversor A/D.
O microcontrolador utilizado é o responsável tanto pelo acionamento do
conversor A/D como do circuito multiplex, de forma a selecionar o sinal a ser
digitalizado.
O esquema de ligação entre o circuito multiplex, conversor A/D e
microcontrolador é mostrado na Figura 3.4, onde:
E
1
– Tensão de Armadura do Motor.
E
2
– Corrente de Armadura do Motor.
31
E
3
– Temperatura do Motor.
E
4
– Velocidade de Rotação do Eixo do Motor.
E
5
– Temperatura Ambiente.
E
6
– Tensão da Rede Elétrica.
E
7
– Tensão de Alimentação do Sistema Microprocessado.
E
8
– Tensão DC Externa.
Figura 3.4. Sistema de aquisição – entradas analógicas.
As entradas E
i
correspondem à saída de cada circuito de condicionamento de
sinal referente a cada parâmetro a ser supervisionado.
O conversor A/D utilizado no projeto é o ADS7805 da Texas Instruments.
Esse conversor tem como características principais:
- Tempo de conversão de até 10us.
- Resolução de 16 bits.
- Tensão de entrada de ± 10 V.
- Erro de ± 4 LSB.
32
Como o conversor A/D suporta tensões de entrada na faixa de ±10V, no
projeto de cada circuito de condicionamento de sinal deve-se observar que a
máxima tensão de saída deve estar também entre ±10V.
A resolução de uma tensão a ser medida pode ser melhorada, fazendo com
que a excursão do sinal de saída de cada circuito de condicionamento de sinal,
aproxime-se da excursão máxima da tensão de entrada permitida para o conversor
A/D, ou seja, ±10V.
Embora o conversor A/D utilizado tenha uma resolução de 16 bits, 1 bit é de
sinal e 4 bits de erro. Portanto, na melhor das hipóteses a resolução de uma tensão
medida seria de 11 bits. Porém, testando-se esse conversor na prática observou-se
que essa precisão não passava de 10 bits, o que permite diferenciar tensões de até
9,76 mV na entrada do conversor.
A razão de não se utilizar diretamente um conversor A/D de 8 canais de
entrada, deve-se ao fato, que em geral os conversores disponíveis no mercado
possuem uma resolução bem menor do que o conversor utilizado nesse projeto. E
mesmo os que se aproximam dessa resolução, possuem a desvantagem do custo
elevado.
Para o sistema de aquisição descrito anteriormente, o circuito multiplex de 8
canais tem a função de selecionar o canal de entrada a ser digitalizado, sendo o
microcontrolador o responsável por controlá-lo através de seus pinos de seleção (A,
B e C).
Portanto, o microcontrolador utilizado nesse projeto tem três funções
principais, ou sejam: selecionar o canal a ser digitalizado, através do circuito
multiplex; fazer o acionamento do conversor A/D; e transmitir os dados coletados ao
computador servidor.
33
A transmissão dos dados é feita via protocolo RS-232 ao computador
servidor, sendo esse último responsável por fazer o encapsulamento dos dados via
TCP/IP, e posterior envio destes aos clientes conectados.
Todos os microcontroladores utilizados nesse projeto consistem do AT89S52,
que é fabricado pela ATMEL, e tem como principal vantagem o baixo custo,
principalmente em relação a alguns PIC’s, e a uma grande parte dos
microcontroladores disponíveis no mercado.
A razão de não se utilizar PIC’s no projeto deve-se primeiramente ao fato de
que os que possuem conversor A/D de alta resolução possuem custo muito elevado.
Outro aspecto deve-se ao fato de que o hardware do painel eletrônico necessita de
uma RAM externa de grande capacidade de armazenamento (pelo menos 32k
bytes), e os PIC’s em geral possuem uma RAM interna muito pequena.
Mesmo se fosse utilizada uma RAM externa conectada ao PIC, esta teria que
se comunicar com ele via protocolo I2C, que é muito mais lento do que utilizando o
acesso paralelo convencional, inviabilizando assim seu uso no hardware dos painéis
eletrônicos.
Outra alternativa poderia ser a utilização do MSP-430 da Texas Instruments, o
qual possui algumas versões com custo inferior ao AT89S52. Entretanto, um dos
problemas desse microcontrolador é que além dele ser SMD, ele trabalha com
tensão de alimentação de 3,6V, o que faz com que todos os circuitos digitais
utilizados no sistema de aquisição necessitem trabalhar na mesma faixa de tensão.
Assim, o microcontrolador encontrado que possui o melhor custo benefício
para esse projeto é o AT89S52-PC24. Além de ser de baixo custo, ele permite
gravação ISP, dispensando assim o uso de gravadores universais.
34
Se fosse necessário fazer uma maior integração dos componentes do sistema
de aquisição, ou se o sistema fosse produzido em escala industrial, poderia se optar
pelo MSP-430, mas em se tratando de um protótipo, o AT89S52 supre bem os
requisitos necessários para o funcionamento do sistema.
As principais características do AT89S52-PC24 são:
- Freqüência de operação de até 24 MHz.
- RAM interna de 256 bytes.
- 3 contadores/temporizadores de 16 bits.
- Faixa de operação de 4,5 a 5,5V.
- 8K Bytes de Memória de Programa do tipo Flash.
Uma importante característica desse microcontrolador é a presença de 3
contadores/temporizadores de 16 bits, os quais são necessários para ajustar a taxa
de transmissão serial dos dados (baud-rate) e para contar o número de pulsos
gerados pelo circuito de aquisição da freqüência da rede, como será visto na Seção
3.3.4.
Desses três contadores/temporizadores, um deles fica disponível para uso
geral caso seja necessário monitorar uma nova entrada pulsada.
O baud-rate adotado nesse projeto foi de 57600 bits/segundo, que é a maior
taxa de envio/recepção de dados que pode ser configurada para esse
microcontrolador. Para obter essa taxa foi utilizado um cristal de freqüência igual à
21.45666MHz.
A máxima freqüência de operação permitida para o AT89S52-24PC é de
24MHz, mas a razão de não se utilizar um cristal com essa freqüência, deve-se ao
35
fato, de não se conseguir ajustar um baud-rate de 57600 bits/s utilizando-se desse
cristal. Portanto, o cristal mais rápido no qual se consegue ajustar essa taxa de
transmissão é o cristal de 21,45666MHz.
Voltando ao sistema de aquisição ilustrado na Figura 3.4, observa-se que não
está incluída nas entradas analógicas do sistema a saída do circuito de aquisição e
condicionamento de sinal da freqüência da rede.
Como mencionado anteriormente, o valor desse parâmetro é obtido a partir de
um circuito convenientemente projetado para gerar pulsos diretamente proporcionais
ao valor da respectiva medida. Sendo, a saída desse circuito conectada diretamente
a uma das entradas pulsadas do microcontrolador. Utilizando-se dessa metodologia,
determina-se com uma maior praticidade a freqüência da rede elétrica.
Assim, para a aquisição da freqüência da rede, foi projetado um circuito
capaz de gerar um pulso de tensão a cada ciclo de onda da rede. Portanto, se a
freqüência da rede for igual a 60 Hz, serão então gerados 60 pulsos de tensão, no
intervalo de 1 segundo, na saída de seu correspondente circuito de aquisição.
Pela definição de freqüência de um sinal como sendo o número de ciclos
deste em 1s, tem-se que para se obter a freqüência da rede, bastará contar o
número de pulsos gerados pelo correspondente circuito de aquisição no intervalo de
1s, conforme enunciado na Equação (3.3).
Freqüência Rede (Hz) = N
F
|
1s
(3.3)
onde:
N
F
– número de pulsos de tensão gerados, na saída do circuito de aquisição da
freqüência da rede.
36
Como o microcontrolador necessita contar exatamente 1s, poderiam ser
utilizadas duas alternativas. Uma delas é a de tentar contar esse intervalo de tempo
através do software interno do microcontrolador, e a outra consiste em utilizar um
oscilador externo de período igual à 1s.
Por razão de precisão de medida, preferiu-se utilizar um oscilador externo
devido ao cristal utilizado ser de 21.45666MHz e, portanto, o ciclo de máquina do
AT89S52 não seria múltiplo de 10, o que acarretaria em um erro maior na estimação
desse intervalo.
Dessa forma, para se contar exatamente esse intervalo de tempo, foi
projetado um circuito oscilador de período igual à 1s conectado ao pino de
interrupção (
1INT
) do microcontrolador.
Nesse caso, a cada 1s será gerada uma interrupção no programa principal do
microcontrolador, fazendo com que este pare a execução normal de seu programa e
atenda a interrupção solicitada.
Neste instante, o registrador do AT89S52 que armazena a contagem de
pulsos conterá o valor real da freqüência da rede, conforme enunciado pela Equação
(3.3).
No diagrama em blocos ilustrado na Figura 3.5 é apresentado esse esquema
descrito.
Figura 3.5. Sistema de aquisição – entrada pulsada.
37
Como no sistema supervisório existem 9 parâmetros a serem
supervisionados, 8 são obtidos a partir do conversor A/D, e 1 através das entradas
pulsadas do microcontrolador.
Nas seções apresentadas a seguir serão descritas as metodologias adotadas
para a aquisição de cada parâmetro sob supervisão do sistema e, no final dessa
seção, será apresentado o circuito de aquisição final do sistema supervisório
desenvolvido.
3.3.1 Aquisição da Temperatura do Motor e Temperatura Ambiente
Para aquisição da temperatura do motor e da temperatura ambiente foram
utilizados termistores, que são semicondutores cuja resistência possui alta
sensibilidade à temperatura. O valor de sua resistência elétrica varia inversamente
proporcional à variação de sua temperatura.
Na Figura 3.6 é ilustrada uma curva característica típica do termistor NTC-
10k.
Figura 3.6. Curva característica do NTC-10k.
38
Como se pode observar por essa curva característica, o NTC-10k apresenta
na temperatura de 25ºC sua correspondente resistência nominal, ou seja, 10kΩ.
Entretanto, como os demais componentes do circuito, os termistores
apresentam tolerância em relação ao seu valor nominal, o que torna difícil encontrar
dois termistores iguais, possuindo assim, curvas características ligeiramente
diferentes.
Assim, para se fazer a correspondência entre resistência e temperatura do
termistor, é imprescindível levantar sua curva característica de forma a se diminuir o
erro nessa estimação.
Para o levantamento da curva característica de cada termistor, foram feitas
medidas colocando-os em contato com superfícies quentes e frias na faixa de 0 a
100ºC, e utilizando um instrumento adequado para medir temperatura, foram
registradas as temperaturas da superfície, juntamente com a medição da resistência
elétrica do termistor.
De posse desses dados, foram plotadas suas correspondentes curvas
características, sendo gerado um polinômio por meio de extrapolação para cada
termistor, obtendo assim, uma aproximação da temperatura da superfície em função
da resistência do termistor.
A partir desse polinômio gerado, pode-se obter uma aproximação da
temperatura da superfície desde que seja conhecido o valor de resistência do
termistor.
O circuito para aquisição das temperaturas ambiente e do motor consiste de
um divisor de tensão conectado a um amplificador de instrumentação, conforme
ilustrado na Figura 3.7, onde:
39
2
3
1
R
R
k
T
+=
(3.4)
Figura 3.7.
e último
possu
12
varia com sua correspondente temperatura, a
tensão sobre ele variará diretamente proporcional à variação de sua resistência.
Utilizando a 1
a
Lei de Ohm, obtém-se:
Circuito para aquisição das temperaturas do motor e ambiente.
A tensão de interesse nesse caso é a tensão sobre o termistor, a qual é
amplificada pelo amplificador de instrumentação, cujo ganho k
T
é dado pela Equação
(3.4). Nesse circuito, ao invés de utilizar um amplificador operacional convencional
optou-se por empregar um amplificador de instrumentação, devido a ess
ir uma alta impedância de entrada (da ordem de 10 Ω) e assim praticamente
eliminar o efeito de carregamento na tensão a ser medida.
Como a resistência do termistor
.IRV
TermistorTermistor
=
(3.5)
()
Termistor1
R+R
F
V
=I
(3.6)
A tensão de saída do circuito (V
S
) é dada pela E
quação (3.7).
40
TermistorTS
VkV .
=
(3.7)
Portanto, uma variação na temperatura do termistor acarretará em uma
correspondente variação na tensão de saída do circuito (V
S
).
As saídas dos circuitos que medem as temperaturas do motor e ambiente
(Figura
o selecionadas e digitalizadas uma de
cada
, torna-se necessário
determ
ão da
tensão de saída medida do circuito (V
S
), deve-se substituir (3.6) em (3.5) e o
resultado em (3.7). Isolando-se a variável R
Termistor
obt
3.7), são conectadas às entradas do circuito multiplex, ilustrado na Figura
3.4.
Assim, essas tensões de saída serã
vez, de forma a se obter os parâmetros de interesse que nesse caso
correspondem aos valores de temperatura.
Para se obter a temperatura de cada termistor
inar sua correspondente resistência e utilizar o polinômio característico
gerado de forma a estimar sua correspondente temperatura.
Portanto, para determinar a relação da resistência do termistor em funç
ém-se a Equação (3.8).
⎥
⎦
⎢
⎣
⎟
⎠
⎜
⎝
2
RV
S
Como V
⎥
⎤
⎢
⎡
⎟
⎞
⎜
⎛
+
11
3
1
-
R
V
R
=R
F
Termistor
(3.8)
3
são constantes conhecidas, as duas únicas variáveis na
equaç
te resistência do termistor através da Equação (3.8). Substituindo esse
F
, R
1,
R
2
e R
ão acima são a resistência do termistor (R
Termistor
) e a correspondente tensão
de saída do circuito (V
S
).
Assim, medindo-se a tensão de saída do circuito (V
S
), determina-se a
corresponden
41
valor n
temperatura são os mesmos, sendo que a única diferença entre eles
deve-se ao fato que para cada termistor haverá um correspondente polinômio
3.3.2 Aquisição da Corrente e Tensão de Armadura do Motor
Para aquisição da corrente e tensão de rma ra d moto foi projetado o
circuito ilustrado na Figura 3.8, sendo k
1
e k
2
dados por:
a equação do polinômio característico gerado, obtém-se sua correspondente
temperatura.
Os valores das constantes V
F
, R
1
, R
2
e R
3
(Figura 3.7) para os dois circuitos
de aquisição de
característico.
a du o r,
2
3
1
1
R
R
k
(3.9)
+=
4
5
2
R
R
k −=
(3.10)
Nesse circuito, a corrente do motor é medida utilizando-se um resistor de
resistência nominal igual a 1Ω em série com o motor DC, sendo então medida a
Figura 3.8. Circuito para aquisição da corrente e tensão do motor.
42
tensão sobre ele. Como os resistores são componentes idealmente lineares, a
corrente do motor será numericamente igual à tensão sobre o resistor (1ª Lei de
Ohm), para esse valor de resistência. Como todo resistor apresenta tolerância em
a máxima tensão de entrada permitida para o
ecessário amplificar esse valor de tensão de forma que a máxima
orme ilustrado na Figura 3.8 foi utilizado um amplificador não
r igual a 12V, é necessário que a tensão de
relação ao seu valor nominal, é preciso então medir seu valor real e compensar essa
variação no cálculo final da corrente.
O motor utilizado para testes do sistema de supervisão consiste de um motor
DC de imã permanente de 12V e corrente nominal de 200mA sem carga.
Observa-se assim, que se o motor for alimentado com 12V, uma corrente de
aproximadamente 200mA percorreria o circuito, e seria gerada uma tensão de 0,2V
sobre o resistor de 1Ω. Como
conversor A/D é de 10V, perder-se-ia resolução se fosse utilizada diretamente a
tensão lida sobre esse resistor.
Assim, é n
tensão sobre o resistor aproxime-se da máxima tensão de entrada do conversor A/D,
a qual é de 10V.
Portanto, conf
inversor para amplificar esse valor de tensão. O ganho de tensão nesse caso é dado
pela Equação (3.9).
Escolhendo-se valores convenientes para os resistores R
2
e R
3
, ajusta-se o
ganho de tensão k
1
conforme o desejado.
Já para se fazer a aquisição da tensão do motor, foi necessário utilizar um
amplificador inversor conectado aos seus terminais. Este amplificador é necessário
não para amplificar a tensão medida sobre o motor, mas sim para reduzi-la, pois a
máxima tensão de entrada permitida para o conversor A/D é de 10V. Assim, quando
a tensão de alimentação do motor fo
43
entrada do conversor A/D seja igual a 10V, portanto, esse amplificador inversor deve
possuir um ganho máximo de 0,833.
3.8, a posição do
ínimo do amplificador não-inversor é igual a
l
metodologia adotada justifica assim a posição dos componentes do
ircuito e o tipo de amplificador utilizado para a aquisição da corrente e tensão do
3.3.3 Aquisição da Tensão da Rede Elétrica
Para aquisição da tensão da rede elétrica foi projetado um retificador em
ponte conforme ilustrado na Figura 3.9.
Escolhendo-se adequadamente os valores de R
4
e R
5
, ajusta-se o ganho k
2
dado pela Equação (3.10).
Como se pode verificar pelo circuito de aquisição da Figura
terra do circuito foi escolhida de forma que a tensão medida sobre o resistor de 1Ω
seja positiva, enquanto que a tensão sobre o motor seja negativa.
As escolhas das topologias dos amplificadores operacionais foram feitas de
modo que as tensões de saída dos amplificadores sejam sempre positivas. Além
disso, para o caso da medida da tensão sobre o motor é necessário utilizar um
amplificador inversor, já que o ganho m
1, o que faz com que essa topologia não possa ser utilizada para se reduzir uma
tensão, mas apenas para amplificá-la.
Para o caso da aquisição da corrente, é necessário que se amplifique o valor
de tensão lida sobre o resistor de 1Ω. Nesse caso, a amplificação poderia ser feita
tanto com um amplificador inversor quanto com um não-inversor. Como é preferíve
trabalhar-se com tensões positivas nas saídas dos circuitos de condicionamento de
sinal, deve-se utilizar um amplificador não-inversor para realizar essa amplificação.
Essa
c
motor DC.
44
Figura 3.9. Circuito para aquisição da tensão da rede elétrica.
r-se mais facilmente o parâmetro de
interes
e onda no ponto A, com a chave S aberta
e fechada, são mostradas na Figura 3.10.
O objetivo é fazer com que a tensão AC da rede seja convertida em um nível
DC com um pequeno ripple, podendo assim obte
se que consiste da tensão RMS da rede.
Para o circuito anterior, as formas d
Figura 3.10. Formas de onda no ponto A com a chave S aberta e fechada.
analisar o circuito anterior mais facilmente, como será
aprese
3 irão parar de conduzir, e o capacitor se
descar
Supondo inicialmente os 4 diodos ideais, ou seja, que não possuam tensão de
polarização, pode-se
ntado a seguir.
Quando o circuito está com a chave S fechada, ou seja, está com carga, o
capacitor C carregar-se-á até atingir o valor de pico Vp da tensão de entrada sobre
ele. Neste instante, os diodos D1 e D
regará através da resistência R.
45
A descarga continuará até o instante em que a tensão de entrada exceder
novamente a tensão sobre o capacitor. Nesse momento, o capacitor começará a se
carreg
Para esse projeto é
deseja
cada a
entar o número de
amost
ução
dos di
ar até atingir novamente a tensão de pico de entrada, e assim, todo o
processo se repetirá.
A variação de tensão sobre o capacitor considerando-o totalmente carregado,
e o valor mínimo durante a descarga é chamada de ripple.
do que esse valor seja o menor possível, portanto, a constante de tempo RC
deve ser muito maior do que o intervalo de tempo de descarga.
Como a tensão sobre o capacitor corresponde a uma das entradas do circuito
multiplex, conforme ilustrado na Figura 3.4, o ripple estará também presente na
leitura dessa tensão. Assim, o que é proposto é fazer com que o microcontrolador
faça 10 amostragens em um intervalo de meio ciclo de onda, ou seja, uma amostra a
proximadamente 833us, e dentre essas 10 amostras, ele determine o valor
máximo de tensão, o qual estaria bem próximo da tensão de pico sobre o capacitor.
Para uma maior precisão da medida, poder-se-ia aum
ras neste intervalo de meio-ciclo de onda. Entretanto, utilizando-se 10
amostras consegue-se uma boa aproximação para esse valor.
O valor de pico determinado corresponderia então à tensão de pico do
secundário do transformador subtraído de 2 vezes a tensão de condução dos diodos
(V
D0
), que inicialmente foram considerados ideais. Quando o capacitor está se
carregando, durante o semiciclo positivo da tensão da rede, a tensão sobre o mesmo
é igual à tensão do secundário do transformador subtraída da tensão de cond
odos D
1
e D
3
. Para o semiciclo negativo, essa tensão medida corresponderia à
tensão do secundário subtraída das tensões de condução dos diodos D
2
e D
4
.
46
Assim, as tensões de condução dos diodos devem ser inicialmente medidas
para serem subtraídas da tensão medida pelo conversor A/D, de forma a diminuir o
erro na estimação da tensão de pico do secundário do transformador.
De posse desse valor, deve ser utilizada a elação de espiras entr
e o secundário do transformador, para assim, por meio da Equação (3.11),
inar-se a tensão de pico da rede elétrica.
r e o primário
determ
SP
NN
S
P
=
(3.11)
rm dor.
S
– Número de espiras do secundário do transformador.
P
– T
V
V
onde:
N
P
– Número de espiras do primário do transfo a
N
V ensão do primário do transformador
[
]
V
.
V
S
– Tensão do secundário do transformador
[
]
V
.
Conhecendo-se o valor da tensão de pico da rede, e supondo-se que a forma
de onda desta seja puramente senoidal, pode-se determinar a tensão RMS da rede
pela Equação (3.12).
2
)rms(V
deRe
deRe
=
(3.12)
A razão de se utilizar um retificador em ponte ao invés de um retificador de
meia onda, se deve ao fato de que para este último, seria necessário utilizar um
maior n
)pico(V
úmero de amostras para se determinar o pico de tensão sobre o capacitor
com a mesma precisão, já que a descarga sobre o capacitor ocorreria durante um
47
ciclo de onda completo, e não durante meio-ciclo, como é o caso do retificador em
ponte.
zada,
em uma variação no valor do ripple, a tensão de pico sobre o capacitor
será se
acitor durante meio-ciclo de onda
permaneceria inalterado, obtendo dessa forma o valor da tensão de pico sobre o
Utilizando-se dessa metodologia, consegue-se estimar de forma mais
simples e prática a tensão RMS da rede elétrica.
3.3.4 Aquisição da Freqüência da Rede Elétrica
ede elétrica, foi projetado um circuito capaz
de ge
por xemplo, seriam gerados 60
pulsos
contar exatamente 1s pelo AT89S52, foi utilizado um oscilador
externo conectado ao seu pino de interrupção
Supondo-se constante o valor do capacitor C e variando-se o valor da
resistência R, se observará que quanto menor for o valor da resistência utili
maior será o valor do ripple. Entretanto, independentemente do valor ripple, a tensão
de pico sobre o capacitor será sempre a mesma.
Isso possibilita utilizar o próprio regulador de tensão do circuito como carga,
facilitando assim, a implementação do circuito de aquisição da tensão da rede.
Embora as cargas ligadas ao regulador de tensão possam variar, e isso
acarretaria
mpre a mesma, independentemente da carga ligada. Assim, o algoritmo para
encontrar o valor máximo da tensão sobre o cap
capacitor.
Para aquisição da freqüência da r
rar um pulso de tensão a cada ciclo de onda da rede. Dessa forma, se a
freqüência da rede for igual a 60 Hz, e
/segundo na saída desse circuito, sendo, portanto, contados pelo
microcontrolador.
Para se
1INT
.
48
No instante de cada interrupção ter-se-ia armazenado no registrador interno
do contador do AT89S52 o valor da freqüência da rede, conforme enunciado pela
Equação (3.3).
Na Figura 3.11 é ilustrado o circuito projetado para se gerar um pulso de
tensão a cada ciclo da tensão da rede.
Como se pode verificar por essa figura, o circuito consiste
Figura 3.11. Circuito para obtenção da freqüência da rede.
de um diodo em
série c
da do shift trigger passa de determinado valor (V
TH
),
o shift
a implementação, foi utilizado no lugar do shift trigger um
simples inversor lógico, mais especificamente o 74HC04. A tabela verdade para
om um divisor de tensão, conectado na entrada de um shift trigger. O diodo
deixa passar apenas a parte positiva do sinal, enquanto que o divisor de tensão
regula o pico máximo de tensão na entrada do shift trigger em 5V.
Quando a tensão de entra
trigger é acionado fazendo com que sua saída passe para nível lógico “1”.
Dessa forma, a cada ciclo de onda da rede será gerado um correspondente pulso de
tensão na saída do shift trigger.
De modo a facilitar
49
esse inversor e seu diagrama esquemático são ilustrados respectivamente na
Tabela 3.2 e
Tabela 3.2 abela verdade para o inv sor lógico.
Figura 3.12.
. T er
Entrada Digital (E) Saída Digital (S)
0 1
1 0
Para que o integrado 74HC
Figura 3.12. Inversor lógico.
04 reconheça um nível lógico “1” na sua entrada, é
neces
na Figura 3.11. Entretanto, diferentemente do funcionamento do shift
trigger
” enquanto a
tensão
foi programado para reconhecer subidas de
borda,
nsões inferiores a esta.
O circuito final e as formas de onda de saída desse circuito são ilustrados na
Figura 3.13.
sário que essa tensão seja superior a 3,15V, podendo variar levemente esse
valor dependendo do fabricante.
Assim, o objetivo é fazer com que essa tensão de limiar corresponda à tensão
V
TH
ilustrada
convencional, a saída desse circuito sairia invertida em relação à mostrada na
Figura 3.11.
Supondo que a tensão de reconhecimento de nível lógico “1” seja exatamente
3,15V, a tensão de saída do circuito permanecerá em nível lógico “1
de entrada for menor do que 3,15V. Para tensões de entrada superiores a
esse valor de tensão, a tensão de saída passaria para nível lógico “0”.
Como o contador do AT89S52
então o pulso de tensão seria contado na transição de tensões superiores a
3,15V para te
50
Figura 3.13. Circuito final para obtenção da freqüência da rede elétrica.
Nessa figura, a cada passagem de nível lógico “0” para nível lógico “1” na
saída do 74HC04 (ponto C), seria contado um pulso pelo microcontrolador. Portanto,
pela definição de freqüência de um sinal como sendo o número de ciclos deste em
um intervalo de 1s, bastaria contar o número de pulsos gerados por esse circuito
para se obter sua correspondente freqüência, conforme enunciado na Equação
(3.3).
Utilizando-se dessa metodologia, consegue-se estimar a freqüência da rede
elétrica com uma resolução de 1Hz.
3.3.5 Aquisição da Velocidade de Rotação do Eixo do Motor
Para a aquisição da velocidade de rotação do eixo do motor foi utilizada
primeiramente uma hélice conectada ao seu eixo e um sensor óptico de modo a
detectar a passagem das pás da hélice através do sensor, conforme ilustrado na
Figura 3.14.
51
Figura 3.14. Representação da hélice conectada ao eixo do motor.
Nesse caso, foi utilizada uma das entradas pulsadas do AT89S52 de modo a
contar os pulsos gerados pelo circuito conectado ao sensor óptico. Assim, como há
uma interrupção gerada pelo oscilador externo a cada exatamente 1 segundo,
bastaria contar o número de pulsos gerados nesse intervalo de tempo e dividir o
resultado pelo número de pás da hélice para se determinar a velocidade de rotação
do eixo do motor, conforme enunciado na Equação (3.13).
P
C
Motor
N
N
)s/rad(Rotação =
(3.13)
onde:
N
C
– número de pulsos contados pelo microcontrolador no intervalo de 1s.
N
p
– número de pás da hélice.
O circuito utilizado para essa metodologia é ilustrado na Figura 3.15.
52
3
Sensor Óptico
Figura 3.15. Circuito projetado para aquisição da velocidade de rotação do eixo do
motor.
Entretanto, utilizando-se dessa metodologia, a velocidade de rotação do eixo
do motor seria atualizada a cada 1s, o que na maioria das aplicações seria um
tempo muito longo caso a velocidade de rotação do eixo do motor variasse
rapidamente.
Uma das alternativas poderia ser diminuir o período do oscilador externo, de
forma a se gerar uma interrupção em um menor intervalo de tempo, só que nesse
caso perder-se-ia uma grande resolução na medida da rotação se fosse utilizado o
mesmo número de pás na hélice, pois o número de pulsos gerados seria o mesmo,
apenas o intervalo de amostragem é que seria menor.
Portanto, para aumentar a resolução dessa medida utilizando essa
metodologia, seria necessário aumentar o número de pás na hélice e empregar um
circuito de alta sensibilidade para detectar a passagem de cada pá pelo sensor.
Além disso, um maior número de pás acarretaria em uma maior proximidade
entre elas (caso seja utilizado o mesmo raio), o que poderia fazer com que mais de
uma pá da hélice passasse pelo feixe de luz infravermelha do sensor ao mesmo
tempo, gerando assim, leituras incorretas de velocidade.
53
Dessa forma, para essa metodologia seria necessário utilizar um sensor
óptico menor e mais sensível, o que necessitaria de um circuito mais complexo para
a detecção da passagem das pás.
Como não é o enfoque desse trabalho desenvolver um detector de alta
sensibilidade, optou-se por utilizar um tacogerador acoplado mecanicamente ao eixo
do motor.
O tacogerador consiste de um gerador DC que gera uma tensão de armadura
diretamente proporcional a sua velocidade de rotação, já que o campo magnético é
provido por imãs permanentes no estator. Nesse caso, a tensão de saída é um nível
DC com um pequeno ripple e, portanto, basta utilizar um filtro passa-baixas de modo
a deixar apenas passar a componente DC do sinal.
Assim, medindo-se a tensão gerada pelo gerador DC pode-se estimar a
velocidade de rotação do eixo do motor de forma mais prática e precisa. A vantagem
dessa metodologia em relação à utilização do sensor óptico deve-se ao fato de que
a cada período de amostragem consegue-se obter uma estimação para a velocidade
de rotação do eixo do motor. A única desvantagem é que o gerador DC é uma carga
a mais conectada ao eixo do motor.
Embora para o sistema supervisório desenvolvido seja utilizado um motor
pequeno, e assim o gerador não poderia ser considerado uma carga a ser
desprezada, em uma aplicação real com um motor de grande potência, a carga
introduzida pelo gerador DC seria muito inferior à carga solicitada ao motor e assim
poderia ser desconsiderada.
Na Figura 3.16 é ilustrado o acoplamento mecânico entre o motor e o gerador
DC utilizado.
54
Motor DC
Gerador DC
Figura 3.16. Acoplamento mecânico entre o motor e o gerador DC.
A tensão induzida no gerador DC é dependente de três fatores que são: a
velocidade de rotação do eixo do gerador; o valor do fluxo magnético por pólo; e o
valor da constante de força contra eletromotriz [23]. Assim, a tensão induzida no
gerador pode ser enunciada pela Equação (3.14).
..
ω
φ
PeA
kE
=
(3.14)
onde:
E
A
– Tensão induzida na armadura do gerador DC
[
]
V
.
k
e
– Constante de força contra eletromotriz
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
Wb.rad
V.s
.
φ
p
– Fluxo Magnético por pólo do gerador DC
[
]
Wb
.
ω – Velocidade de rotação do eixo do gerador
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
s
rad
.
55
Como o gerador DC utilizado é de imã permanente, tem-se que o fluxo por
pólo
φ
p
será constante. Dessa forma, como k
e
depende apenas de fatores
construtivos do motor, é comum o fabricante juntar as constantes k
e
e
φ
p
em uma
única constante, conforme enunciado na Equação (3.15).
ω.KE
eA
=
(3.15)
onde:
E
A
– Tensão induzida na armadura do gerador DC
[
]
V
.
K
e
– Constante de força contra eletromotriz
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
rad
V.s
.
ω – Velocidade de rotação do eixo do gerador
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
s
rad
.
Essa relação mostra a linearidade entre a tensão induzida na armadura do
gerador e a velocidade de rotação do seu eixo. Dessa forma, medindo-se a tensão
induzida no gerador, determina-se através da Equação (3.15) a velocidade de
rotação do seu eixo.
É importante salientar que essa linearidade é distorcida para velocidades
muito altas devido ao efeito de saturação. Nesse caso, quando se chega em tal
ponto, um grande incremento na velocidade pode resultar em um incremento
insignificante na tensão induzida na armadura.
O circuito projetado para aquisição da velocidade de rotação do eixo do
gerador é ilustrado na Figura 3.17, onde:
56
2
3
1
1
R
R
k
+=
(3.16)
Figura 3.17. Circuito para aquisição da velocidade de rotação do eixo do gerador.
Como se pode verificar pela Figura 3.17, o gerador é conectado a um filtro
passa-baixas de modo a deixar passar apenas a componente DC do sinal. A tensão
de saída do capacitor é então conectada à entrada de um amplificador operacional
em configuração não inversora.
Dessa forma, a tensão sobre o capacitor é amplificada por um ganho k
1
, de
modo que a máxima tensão de saída do circuito aproxime-se da máxima tensão de
entrada permitida para o conversor A/D, não perdendo assim resolução na medida
dessa tensão.
O ganho k
1
do circuito é dado pela Equação (3.16) e deve ser ajustado de
acordo com a máxima velocidade de rotação do eixo do gerador.
Como a relação entre a tensão induzida na armadura do gerador e a
velocidade de rotação do mesmo é linear (Equação (3.15)), foram feitas medidas
variando-se a velocidade de rotação do eixo do gerador e anotada a correspondente
tensão de saída do circuito.
De posses desses dados, foi confeccionado o gráfico da velocidade de
rotação versus tensão de saída do circuito e, por meio de extrapolação, foi
57
determinada a equação de reta que mais se aproximou do comportamento real do
gerador.
Dessa forma, para determinar a velocidade de rotação do eixo do gerador
basta medir a tensão de saída do circuito da Figura 3.17, e substituir seu valor na
equação de reta obtida. Como há um acoplamento mecânico entre o gerador e o
motor DC, a velocidade de rotação do eixo do motor DC será igual à velocidade de
rotação do eixo do gerador.
3.3.6 Aquisição dos Demais Parâmetros DC
Para aquisição dos demais parâmetros DC do sistema, tais como tensão de
alimentação do sistema microprocessado e tensão DC externa, essas foram
conectadas diretamente as entradas E
7
e E
8
do circuito multiplex ilustrado na Figura
3.4.
Este procedimento é válido desde que seus valores estejam dentro da faixa
de tensão de entrada permitida para o conversor A/D utilizado, que nesse caso é de
±10V.
3.3.7 Circuito Final de Aquisição
Na Figura 3.18 é ilustrado o circuito de aquisição final para o sistema
supervisório desenvolvido.
Como se pode observar nessa figura, foi utilizado o amplificador de
instrumentação TL071 como amplificador operacional.
58
A razão de se utilizar esse amplificador se deve a este possuir entrada J-FET,
o que praticamente não acarreta efeito de carregamento na tensão a ser medida, já
que sua resistência de entrada é da ordem de 10
12
Ω.
Foram testados amplificadores operacionais convencionais, tais como o
LM741 e o LM324, mas estes além de possuírem problemas de offset, possuem
resistência de entrada muito pequena quando comparada com amplificadores de
instrumentação.
Para a escolha do amplificador operacional, foi então feita a comparação
entre os amplificadores de instrumentação TL071 e TL062, que são uns dos mais
baratos e fáceis de se encontrar no mercado.
Por razão de desempenho e custo, optou-se pelo amplificador de
instrumentação TL071, sendo então este utilizado como amplificador operacional
padrão em todos os circuitos do sistema supervisório.
Para se ajustar a tensão DC externa do sistema, foi utilizado um
potenciômetro em série com um resistor formando um simples divisor de tensão.
Nesse caso, alterando-se o potenciômetro ajusta-se essa tensão DC conforme o
desejado. Essa tensão de referência serve para calibrar o sistema de aquisição e
para testes do sistema de supervisão de parâmetros.
59
Figura 3.18. Circuito de aquisição final projetado.
60
Na Figura 3.18, o único circuito cujo funcionamento ainda não foi detalhado é
o oscilador externo, mostrado de forma ampliada na Figura 3.19.
Figura 3.19. Oscilador externo projetado.
O oscilador externo projetado é composto por um circuito oscilador de
freqüência igual a 32.768kHz conectado a dois contadores de 14 bits (CD 4060).
Como é necessário obter na saída desse circuito oscilador uma forma de
onda quadrada de período igual a 1s, foi então utilizado um cristal de freqüência
32.768kHz, e contadores de modo a dividir esse valor de freqüência 32768 vezes,
obtendo assim na sua saída uma forma de onda quadrada de freqüência igual a 1
Hz.
Como não é possível fazer essa divisão utilizando um único CD4060, foram
ligados em cascata dois CD4060, de modo que a saída Q7 do primeiro contador
fosse conectada à entrada de clock do contador seguinte.
Nesse caso, na saída Q7 do primeiro contador ter-se-á uma forma de onda
quadrada com freqüência igual a :
Hz
kHz
Q
Contador
256
2
32768
7
7
1_
==
(3.17)
Como a saída Q7 do primeiro contador corresponde à entrada de clock do
segundo contador, ter-se-á na saída Q8 deste último contador uma forma de onda
quadrada com freqüência igual a :
61
Hz
Hz
Q
Contador
1
2
256
8
8
2_
==
(3.18)
Dessa forma, utilizando-se do circuito ilustrado na Figura 3.19, consegue-se
gerar uma forma de onda quadrada de período igual à 1s, na saída Q8 do segundo
contador.
Conectando-se essa saída ao pino
1INT
do microcontrolador, será gerada
uma interrupção no programa principal do AT89S52 a cada 1s, conforme havia sido
projetado.
Driver/Receiver MAX232
Outro detalhe do circuito mostrado na Figura 3.18 que não foi mencionado
consiste do driver/receiver MAX232, que compatibiliza os sinais seriais provenientes
dos pinos TXD e RXD do AT89S52 com os níveis de tensão necessários para se
comunicar com a porta serial do computador servidor. Seu circuito é ilustrado na
Figura 3.20.
Figura 3.20. Esquema de ligação do Driver/Receiver MAX232.
62
O computador servidor comunica-se com o sistema de aquisição por meio de
sua porta serial. Os únicos pinos utilizados do conector DB9 são os pinos 2, 3 e 5,
que correspondem respectivamente aos pinos de recepção, transmissão e terra, da
porta serial do computador.
A necessidade de utilização do driver/receiver MAX232 se deve ao fato que
os níveis de tensão, presentes nos pinos da porta serial do computador, não são
níveis de tensão TTL. Assim, é necessário utilizar esse integrado para se
compatibilizar os níveis de tensão tanto do computador servidor para o
microcontrolador como vice-versa.
3.4 Sistema de Controle
3.4.1 Controle da Velocidade de Rotação do Eixo do Motor DC
Nos últimos 50 anos, diversas metodologias inovadoras na área de controle
foram criadas de modo a se resolver problemas cada vez mais complexos e atingir
melhores desempenhos. Os sistemas de controle sofreram enormes mudanças após
o advento dos computadores, que tem se tornado dominante em praticamente todas
as áreas da engenharia. Embora um vasto número de controladores tenha sido
introduzido, a grande maioria dos processos industrial é ainda controlada por meio
de simples controladores PID [24].
Isso não se deve somente à sua simplicidade, mas também a garantia de um
desempenho aceitável para uma ampla faixa de plantas industriais e seu uso (tuning
dos parâmetros) bem conhecido pela maioria dos operadores industriais. Dessa
forma, o controlador PID fornece um custo/benefício que é bem difícil de se superar
em comparação a outros tipos de controladores [25].
63
Entretanto, devido a simplicidade na sua estrutura, os controladores PID são
convenientes para se controlar processos de primeira e segunda ordem. Assim, para
plantas de ordem superior ou que apresentem problemas de não linearidade, é
preferível utilizar outros tipos de controladores.
Exemplo desses controladores são os que mesclam o PID com regras de
inferência Fuzzy, os que utilizam redes neurais, os controladores dead-beat, dentre
outros.
Em [26] é proposto um sistema de controle de velocidade para motores de
indução utilizando redes neurais artificiais, sendo esse controlador de 2 graus de
liberdade (2-DOF).
Trabalho semelhante a esse é apresentado em [27], entretanto, ao invés de
utilizar redes neurais é proposto um controlador Fuzzy para se regular a velocidade
de rotação do motor de indução.
Para o controle da velocidade de motores DC, é proposto em [28] um
controlador Fuzzy implementado em hardware, de modo a contornar os problemas
na obtenção dos parâmetros do sistema e em situações que requeiram modelos
precisos para se projetar um bom controlador.
Modificações do PID convencional são apresentados em [29] e [30]. Em [29],
é utilizado sistemas de inferência Fuzzy juntamente com um PID para calcular a
trajetória de mísseis terrestres.
Um controlador similar é apresentado em [30], só que nesse caso o
controlador Fuzzy-PID proposto é utilizado no braço mecânico de um robô, e
segundo os autores produz um melhor desempenho do que o PID convencional,
tratando melhor os problemas de incerteza com cargas variantes no tempo aplicadas
no braço do robô.
64
Um dos principais problemas ao se projetar um controlador PID é fazer o
tuning dos seus parâmetros. Em [31], J.G. Ziegler e N.B. Nichols propõem duas
metodologias para se realizar o ajuste dos coeficientes do PID. Na primeira, leva-se
em consideração à resposta ao degrau do sistema, projetando o PID de forma a
possuir um damping (ε) de 0.21, o que corresponde a uma taxa de decaimento de ¼.
Segundo os autores esse valor corresponde a um compromisso razoável entre
rapidez de resposta e margem de estabilidade.
Para a segunda metodologia desse trabalho, é utilizado o sistema em malha
fechada com um controlador do tipo proporcional, e é aumentado o ganho deste até
que o sistema comece a oscilar. Nesse instante são anotados o ganho crítico do
controlador e o correspondente período de oscilação do sistema. De posse desses
dois valores, determina-se através de tabelas os coeficientes do PID.
Outras metodologias para se fazer o tuning do PID são propostas em [25] e
[32]. Nessas duas metodologias são propostos sistemas de inferência Fuzzy para
realizar o tuning do PID, melhorando assim segundo os autores, o método
apresentado por Ziegler-Nichols [31].
Como o sistema nesse projeto consiste de um motor DC e o enfoque desse
trabalho não é fazer um sistema de controle de alto desempenho, optou-se por
utilizar um PID convencional, o qual é bastante adequado para o controle de
motores DC, já que esse sistema pode ser modelado por equações de primeira ou
segunda ordem.
Para realizar o tuning do PID, optou-se pelo método proposto por Ziegler-
Nichols pela sua grande simplicidade em se obter os parâmetros do controlador.
Segundo [33], os sistemas de controle podem ser classificados como sendo
de dois tipos que são:
65
Sistemas Reguladores: A saída do sistema deve ser mantida tão próxima quanto
possível de um valor constante desejado, mesmo na presença de perturbações.
Servomecanismos: Uma entrada variável no tempo deve ser seguida pela saída, o
mais próximo quanto possível.
Segundo essa classificação, o motor DC utilizado nesse projeto constitui de
um servomecanismo, pois a saída do sistema (velocidade de rotação do eixo do
motor) deve seguir a entrada de referência, que corresponde à rotação desejada
pelo operador do sistema.
Para se evitar problemas na obtenção das constantes do sistema, como
mencionado em [28], é proposta a utilização do aplicativo MATLAB da Mathworks ®,
o qual através da ferramenta “ident” pode-se calcular a função de transferência que
mais se aproxima do comportamento real do sistema. Nesse caso, é necessário
primeiramente fazer um ensaio ao degrau do sistema, de modo a se utilizar os dados
coletados como entrada no toolbox do MATLAB.
Entretanto, para tratar a função de transferência do motor DC é necessário
primeiramente apresentar sua modelagem dinâmica. Na Figura 3.21 é ilustrado o
diagrama eletromecânico do motor DC.
Figura 3.21. Diagrama eletromecânico do motor DC.
66
onde :
R
a
– Resistência de armadura do motor [Ω].
L
a
– Indutância de armadura do motor [H].
V
a
– Tensão de armadura do motor [V].
K
e
– Constante de força contra-eletromotriz [V.s/rad].
K
t
– Constante de torque elétrico do motor [N.m/A].
ω
– Velocidade de rotação do eixo do motor [rad/s].
J – Momento de Inércia do Motor [N.m.s
2
/rad].
B – Coeficiente de atrito viscoso [N.m.s/rad].
F – Coeficiente de atrito estático [N.m].
Por intermédio do diagrama eletromecânico mostrado na Figura 3.21, obtém-
se o seguinte equacionamento para o sistema:
)(.)(.)(.)( tKti
t
LtiRtV
eaaaaa
ϖ
+
∂
∂
+=
(3.19)
)(.)( tiKtT
aTe
=
(3.20)
FtBt
t
JtTtT
eR
++
∂
∂
== )(.)(.)()(
ϖϖ
(3.21)
Como o sistema em questão é um motor DC, em [24] foram calculadas as
funções de transferência de primeira e segunda ordem para um motor DC genérico.
Essas funções de transferências correspondem às Equações (3.22) e (3.23),
respectivamente.
67
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
=
m
m
e
s
K
sG
τ
τ
1
)(
1
(3.22)
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
++
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
++
=
baamba
ame
ss
K
sG
ττττττ
ττ
.
1
.
1
.
11
..
1
)(
2
2
(3.23)
onde:
a
a
a
R
L
=
τ
(3.24)
B
J
b
=
τ
(3.25)
).(
.
te
a
m
KK
JR
=
τ
(3.26)
Na modelagem de primeira ordem é desprezado o efeito da indutância de
armadura do motor. Para esse projeto, foi adotada a equação de segunda ordem
(Equação (3.23)), pois corresponde a um modelo mais próximo do comportamento
real do sistema.
Para a ferramenta “ident” do programa MATLAB, não é necessário conhecer
os parâmetros do motor para que este faça a identificação da função de
transferência. Basta que o usuário conheça o número de pólos e zeros do sistema,
de modo que o programa determina por meio de extrapolação a função de
transferência que mais se aproxima do comportamento do sistema. Nesse caso,
devem ser entrados no toolbox os valores obtidos do ensaio ao degrau do sistema,
68
que são: dados de entrada (tensão de armadura do motor); dados de saída
(velocidade de rotação do eixo motor); e o correspondente período de amostragem
do sistema, que para esse projeto é de 25ms.
Após esse procedimento, o programa retorna a função de transferência que
mais se adequa ao sistema em questão. Dessa forma, não é necessário medir as
constantes do motor individualmente, o que representa uma grande vantagem, pois
praticamente elimina erros na medição dos mesmos.
De posse da função de transferência obtida, foi projetado o controlador PID
utilizando a metodologia proposta por Ziegler-Nichols [31], de modo a realizar o
tuning das constantes do PID.
Como o controlador utilizado é digital, em [34] é proposta uma condição
prática para se escolher o máximo tempo de amostragem do sistema. Nessa
metodologia, é proposto que o tempo de amostragem deve ser pelo menos 6 vezes
menor que o tempo de subida durante à resposta ao degrau do sistema.
Como essa condição é satisfeita para o tempo de amostragem adotado (T
a
=
25ms), resta examinar a segunda condição que sugere que o conversor A/D utilizado
tenha pelo menos uma precisão de 10 a 12 bits, já que o processo de quantização
adiciona um ruído extra ao sistema. Como o conversor A/D utilizado é de 16 bits,
essa condição também é satisfeita.
Analisando as duas metodologias propostas por [31] para realizar o ajuste dos
coeficientes do PID, optou-se pelo método da última sensibilidade. Nesse método é
utilizado um controlador do tipo proporcional com ganho K
CRIT
, e é aumentado seu
ganho até que o sistema comece a oscilar. Esse esquema proposto é ilustrado na
Figura 3.22.
69
Σ
ω
ref
(k)
+
K
CRIT
Motor DC
e(k)
ω
(
k
)
u(k)
Figura 3.22. Método da última sensibilidade.
No instante em que o sistema entra em oscilação, são anotados o ganho
crítico (K
CRIT
) e o correspondente período crítico de oscilação do sistema (T
CRIT
).
Para o sistema supervisório desenvolvido, o controlador foi implementado no
próprio programa do servidor. Nesse caso, o programa calcula a tensão a ser
ajustada no motor e envia o valor calculado ao sistema de ajuste de tensão, via
porta serial. Ao receber o valor de tensão a ser ajustado, o microcontrolador que
controla o conversor D/A ajusta na saída do seu driver de corrente o valor requerido
pelo servidor.
Dessa forma, a cada período de amostragem é calculada a ação de controle e
enviada ao sistema de ajuste de tensão. Essa metodologia simplifica a
implementação do controlador, pois o cálculo da equação do PID é efetuado pelo
computador servidor e não pelo microcontrolador.
Como é utilizado um controlador discreto, torna-se necessário utilizar a forma
discreta do equacionamento do PID. A equação de recorrência desse controlador é
mostrada na Equação (3.27).
()
[]
()
[]
()
[]
)2(2)1(1
.2
1)(1)1()(
00
0
0
−−−⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+−−−⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−−+−⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
++−= kk
T
T
Kkk
T
T
T
T
Kkk
T
T
Kkuku
ref
D
ref
D
I
ref
D
ϖϖϖϖϖϖ
(3.27)
onde :
u – Tensão de Controle [V].
ϖ
– Velocidade de Rotação do Eixo do Motor [rad/s].
70
ref
ϖ
– Velocidade de Rotação de Referência do Motor [rad/s].
T
0
– Período de amostragem [s].
T
I
– Coeficiente de Integração [rad/V].
T
D
– Coeficiente de Derivação [rad/V].
K – Fator de Amplificação [V/V]
Os valores dos coeficientes K,
I
T
T
0
e
0
T
T
D
, em função de K
CRIT
e T
CRIT
medidos,
são dados pela Tabela 3.3.
Tabela 3.3. Valores tabelados para o PID discreto, utilizando o método proposto por
Ziegler-Nichols.
Coeficiente Valor
K
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
CRIT
T
T
0
16,0
I
T
T
0
CRIT
CRIT
TK
TK
.
..2,1
0
0
T
T
D
CRIT
CRIT
TK
TK
..40
..3
0
Portanto, após a determinação das constantes K
CRIT
e T
CRIT
do sistema, basta
calcular os coeficientes do PID utilizando-se da Tabela 3.3, e substituir seus valores
na Equação (3.27).
As variáveis
ω
(k),
ω
ref
(k) e u(k) dessa equação, são os valores coletados pelo
sistema de aquisição no instante t=k.T
0
, e representam respectivamente a
velocidade de rotação do eixo do motor, a velocidade de rotação de referência
ajustada pelo cliente, e a tensão de controle.
71
Assim, a cada período de amostragem é calculada a tensão a ser ajustada no
motor e enviada ao sistema de ajuste de tensão. Dessa forma, consegue-se fazer
com que a velocidade de rotação do motor siga a velocidade de rotação de
referência, a qual é definida pelo usuário. Como sempre existe na prática um erro na
determinação exata dos parâmetros do PID, efetuou-se um pequeno ajuste manual
nos parâmetros do PID, de maneira que este apresentasse uma taxa de decaimento
de ¼, conforme a proposta inicial do método de Ziegler-Nichols.
3.4.2 Circuito do Sistema de Ajuste de Tensão
O circuito do sistema de ajuste de tensão é composto por um
microcontrolador conectado a um conversor D/A, e este último a um driver de
corrente convenientemente projetado.
O conversor D/A utilizado no projeto é o DAC715 da Texas Instruments, e tem
como características principais:
- Resolução de 16 bits.
- Tensão de saída de 0 a 10V.
- Ganho e offset ajustáveis através de potenciômetros de compensação.
Como o motor DC utilizado é de 12V e a máxima tensão de saída do
conversor D/A é 10V, se torna necessário utilizar um amplificador operacional na
saída desse conversor, de forma a amplificar esse valor de tensão, e se obter na
saída do amplificador uma faixa de variação de tensão de 0 a 12V.
A comunicação entre o sistema de ajuste de tensão e o computador servidor
é feita via protocolo RS-232, assim, é utilizado novamente o integrado MAX 232 para
72
compatibilizar os sinais TTL do microcontrolador com a porta serial do computador
servidor.
Na Figura 3.23 é ilustrado o circuito do sistema de ajuste de tensão
desenvolvido para o sistema supervisório.
Figura 3.23. Circuito do sistema de ajuste de tensão.
Como se pode visualizar nessa figura, na saída do amplificador operacional
utilizado (TL071) é conectado um driver de corrente, de modo a fornecer corrente
suficiente para o acionamento do motor.
O driver projetado consiste de um amplificador classe A, e é composto por um
circuito Darlington em topologia coletor-comum. O ganho deste driver é
aproximadamente igual a 0,9 V/V.
Dessa forma, o ganho do amplificador de instrumentação (TL071) foi ajustado
de modo a amplificar a tensão de saída do conversor D/A e ao mesmo tempo
compensar a redução do ganho devido ao driver de corrente.
Para uma tensão de saída do conversor D/A igual à 10V, deve-se ter na saída
do driver de corrente uma tensão igual à 12V, conforme o projetado.
73
A utilização desse circuito de ajuste de tensão só é válida para motores DC
de baixa potência. Para motores DC de alta potência não é possível utilizar
amplificadores classe A devido à grande perda de potência nesse tipo de
amplificador.
Uma solução para motores DC de alta potência seria substituir o amplificador
classe A utilizado por um amplificador chaveado. Nesse caso, a tensão de saída do
conversor D/A poderia ser utilizada para ser a tensão de referência do amplificador
chaveado, e assim regular a freqüência dos pulsos de saída desse tipo de
amplificador.
3.5 Sistema de Transmissão e Recepção de Dados via TCP/IP
3.5.1 Programa do Servidor
Após a obtenção dos parâmetros de interesse pelo sistema de aquisição,
estes são enviados ao computador servidor, de modo a serem encapsulados via
TCP/IP, e posteriormente transmitidos aos clientes conectados.
A comunicação entre o servidor e o sistema de aquisição de dados é feita via
protocolo RS-232. Como se deseja enviar os dados com a maior taxa de
transmissão possível, optou-se por uma taxa de transmissão de 57600 bits/s, que
corresponde à maior taxa padrão que pode ser ajustada no microcontrolador
utilizado.
Entretanto, a velocidade de transmissão dos dados não é função apenas do
baud-rate ajustado, mas sim da velocidade com que o computador servidor
consegue fazer uma leitura da sua porta serial.
74
Se fosse feito, por exemplo, uma sub-rotina no programa do servidor que
fizesse uma leitura da sua porta serial o mais rápido possível, o processamento do
computador servidor chegaria em poucos segundos ao seu máximo e este
provavelmente interromperia totalmente sua execução.
Assim, o que é feito no programa do servidor é a utilização de timers pré-
programados, que executam determinada função a cada determinado intervalo de
tempo. Nesse caso, um timer seria utilizado para ler a porta serial do computador a
cada intervalo regular específico.
O intervalo de tempo ajustado para esse timer foi feito de modo a não deixar
o processamento do servidor muito sobrecarregado, pois além da aquisição dos
dados, o servidor tem como função: gerenciamento das conexões dos clientes;
acionamento do circuito de ajuste de tensão do motor; gerenciamento da câmera
digital; e encapsulamento e envio dos dados e imagem do sistema via TCP/IP.
Assim, foi estabelecida por meio de muitos testes, a taxa de aquisição
máxima de cada canal como sendo igual a 40 Hz. Como se tem um total de 9
parâmetros a serem supervisionados, o sistema de aquisição projetado tem uma
capacidade máxima de 360 Hz.
Como quase todos os parâmetros supervisionados consistem praticamente de
tensões DC, o sistema de aquisição projetado é suficiente para fazer a aquisição dos
parâmetros a serem supervisionados, utilizando-se dessa taxa de amostragem.
O único parâmetro que poderia representar discrepância seria a corrente do
motor, que além do nível DC, apresenta uma pequena variação em torno de seu
valor médio, devido à comutação das escovas coletoras do motor.
A freqüência desses pulsos depende da velocidade de rotação do eixo do
motor, podendo chegar na faixa de alguns quilohertzes para o motor utilizado.
75
Portanto, o sistema de aquisição projetado não é capaz de fazer a aquisição
desses pequenos pulsos, pois pelo critério de Nyquist, a freqüência de amostragem
deve ser no mínimo igual a duas vezes a freqüência máxima do sinal.
Entretanto, como no projeto é desejado apenas medir o valor médio da
corrente, foram desprezados os pequenos pulsos gerados em torno de seu valor DC,
utilizando para isso um filtro passa-baixas conectado à saída do amplificador não
inversor ilustrado na Figura 3.8.
A partir do programa do servidor, é possível ajustar o número de pontos a
serem enviados aos clientes conectados, diminuindo (se necessário) o
processamento do computador servidor.
Assim, por exemplo, pode-se optar pelo envio de 20 pontos/segundo para
cada parâmetro sob supervisão, ao invés do normal que é de 40 pontos/segundo.
Pelo programa do servidor é possível também regular o intervalo de envio dos
blocos de dados, permitindo dessa forma ajustar a velocidade com que os
parâmetros coletados são enviados aos clientes conectados.
Os dados coletados são enviados em blocos, de modo não seqüencial,
conforme sua leitura pelo sistema de aquisição. Embora o envio seqüencial seja
possível, esse causa problemas por congestionar rapidamente a rede caso algum
dos pacotes seja perdido, fazendo com que aconteça uma realimentação positiva na
rede.
Uma realimentação positiva é causada quando a rede está muito
sobrecarregada e o roteador acaba perdendo pacotes. Nesse caso, como o
protocolo TCP é um protocolo voltado à conexão e à transmissão confiável de
dados, ocorrerá uma retransmissão dos pacotes perdidos, aumentando ainda mais o
congestionamento da rede, o que a degradaria ao longo do tempo [35].
76
Portanto, o envio de um bloco maior de dados é preferível ao envio ponto a
ponto dos dados coletados.
O tempo mínimo escolhido para a transmissão desses blocos foi de 250 ms.
Tal valor foi baseado em testes funcionais do projeto em uma rede local.
O intervalo de envio pode ser ajustado para valores superiores a essa taxa
mínima, caso a rede esteja muito sobrecarregada, ou de forma a diminuir o
processamento do computador servidor, caso haja um grande número de clientes
conectados.
Além dos dados, a imagem do sistema supervisionado também é obtida
utilizando-se de uma câmera digital.
Pelo programa do servidor, é possível configurar a resolução da imagem, bem
como parâmetros de brilho, contraste, dentre outros.
O tamanho em disco da imagem é função da resolução escolhida. Assim,
uma maior resolução implicará em um maior número de bytes da imagem e,
conseqüentemente, um maior intervalo de tempo para enviá-la ao cliente.
Assim, o que é proposto para a transmissão da imagem no programa do
servidor, é permitir que o usuário possa ajustar o intervalo de envio da imagem ou
optar pelo ajuste automático.
O ajuste automático de envio consiste em medir o intervalo de tempo que
dado cliente leva para receber todos os bytes de uma imagem, e assim fazer o
ajuste automático de sua taxa de transmissão. Nesse caso, se um cliente demora
500 ms, por exemplo, para receber a imagem, não se tem razão para enviá-la a
cada 250 ms. Portanto, o programa tenta encontrar a taxa de envio que mais se
enquadra nas taxas disponíveis no programa. Nesse caso, há uma taxa individual de
77
envio para cada cliente, que é obtida de acordo com o tempo que este demora a
receber todos os bytes de uma imagem.
No caso do ajuste manual, a taxa de envio regulada seria a mesma para
todos os clientes, independentemente do tempo que este leva para receber uma
foto.
Nesse sistema, o número de clientes que podem acessar o servidor ao
mesmo tempo é função do processamento do servidor e do tipo de serviço que é
solicitado por cada cliente.
Assim, o sistema foi projetado de forma que os dados e imagens do processo
apenas sejam enviados aos clientes que solicitarem o serviço, utilizando-se para
isso de botões de requisição, conforme será visto nos resultados do programa do
cliente.
Isso reduz o processamento do servidor, pois nem todo cliente que se
conecta ao servidor precisa de todos os tipos de serviços disponíveis.
Outra implementação feita no programa do servidor foi o chat de
comunicação, que permite que clientes conectados possam se comunicar entre si,
bem como com o próprio servidor.
Todas as conversas entre clientes passam pelo servidor, que é responsável
por fazer o gerenciamento das conexões.
Para um exemplo de 3 clientes conectados ao servidor, o gerenciamento das
conexões poderia ser ilustrado conforme a Figura 3.24.
78
Figura 3.24. Diagrama das conexões de 3 clientes ao servidor.
Assumindo primeiramente que nenhum cliente está conectado, após a
conexão do Cliente 1 ao servidor, este será adicionado à sua lista de usuários
conectados.
Na conexão do Cliente 2, além da adição deste na lista de clientes
conectados do servidor, é necessário enviar uma mensagem ao Cliente 1
informando que o Cliente 2 se conectou, e a este último a informação que o Cliente
1 já estava conectado. Dessa forma, cada cliente que se conecta sempre sabe quais
são os demais usuários on-line e vice-versa, permitindo assim, a troca de
mensagens e informações entre estes.
Processo análogo acontecerá quando um terceiro cliente se conectar (Cliente
3), ou seja, deverá ser enviada aos Clientes 1 e 2 a informação que o Cliente 3 se
conectou, e ao Cliente 3 a informação que os Clientes 1 e 2 já estavam conectados.
Se após a entrada do Cliente 3, o Cliente 2 resolvesse desconectar, por
exemplo, o servidor teria que enviar mensagens aos Clientes 1 e 3, informando que
o Cliente 2 desconectou-se, sendo este último removido da lista de usuários on-line
dos Clientes 1 e 3.
Dessa forma, o servidor faz o gerenciamento das conexões, permitindo que
cada cliente sempre saiba quais são os demais usuários on-line.
79
3.5.2 Programa do Cliente
O programa do cliente tem três principais finalidades, ou seja, fazer a
recepção via TCP/IP dos dados e imagens do sistema; fazer a exibição dos
parâmetros monitorados e informações do sistema através dos painéis eletrônicos
projetados; e enviar ações de controle ao servidor.
O acionamento dos painéis eletrônicos é feito utilizando-se as portas seriais
do computador cliente, sendo necessário uma porta serial para cada painel.
Foram utilizados no projeto dois painéis eletrônicos, sendo um para exibição
dos dados (painel tricolor) e um para exibição de informações de status do sistema
(painel monocromático), tais como tempo de conexão, delay dos dados, latência da
rede, horário, e mensagens informativas.
Tanto o programa do cliente quanto o programa do servidor permitem a
visualização dos parâmetros supervisionados através de gráficos. No programa do
servidor, conforme o dado for sendo coletado, este é plotado em tempo real em sua
respectiva janela gráfica. Já para o caso do cliente, tem-se como mencionado
anteriormente, a recepção dos dados em blocos a cada determinado intervalo de
tempo. Assim, quando um determinado bloco é recebido pelo computador cliente,
todos os dados desse bloco são plotados de uma só vez na sua janela gráfica.
Se, por exemplo, for ajustada no programa do servidor uma taxa de envio dos
blocos igual à 250ms com uma taxa de amostragem de 40 pontos/segundos, ter-se-
á no programa do cliente a recepção de 10 pontos a cada 250ms, de forma que a
cada intervalo de 1s se tenha recebido os 40 pontos de cada parâmetro, conforme
ajustado no programa do servidor.
Através da utilização de botões de requisição, o cliente pode fazer a
solicitação dos serviços disponíveis do servidor, tais como:
80
- Serviço de Dados.
- Serviço de Vídeo.
- Serviço de Controle do Motor.
Os dois primeiros serviços foram explicados anteriormente, e se referem à
solicitação ao servidor dos dados e imagem do sistema.
O serviço de controle serve para centrar no servidor o controle do motor a um
único usuário (controlador). Após este ser travado, os demais clientes só poderão
atuar no sistema, quando o controlador destravar o sistema.
Através do programa do cliente, o usuário pode regular a tensão de
alimentação do motor ou ajustar a velocidade de rotação do seu eixo, enviando para
isso um comando ao servidor contendo o tipo de controle desejado e seu valor. Ao
receber esse comando, o servidor acionará o sistema de ajuste de tensão regulando
o valor desejado pelo usuário.
Quanto ao chat visto pelo lado do cliente, toda vez que este se conecta ao
servidor, este último faz o envio de sua lista de usuários on-line. Dessa forma, o
cliente sempre sabe quais são os demais usuários on-line.
Além da exibição dos dados e parâmetros do sistema através de painéis
eletrônicos, o programa do cliente permite também a edição de faixas de supervisão
para cada parâmetro, conforme será descrito na seção a seguir.
81
3.6 Sistema de Supervisão de Parâmetros
Os programas do servidor e do cliente permitem a edição de faixas de
supervisão para cada parâmetro monitorado do sistema.
No lado do cliente, o programa de supervisão tem o objetivo de verificar se os
valores dos parâmetros coletados estão dentro de suas faixas de supervisão, pré-
programadas. Assim, o usuário pode estabelecer limites de operação para cada
parâmetro monitorado.
No lado do servidor, pode-se programar a mesma faixa de supervisão,
entretanto, essa faixa tem a função de estabelecer limites máximos de operação do
sistema, os quais se ultrapassado por muito tempo poderia causar algum tipo de
dano ao próprio sistema. Assim, o monitoramento no lado do servidor tem a função
de proteger o sistema, enquanto que no lado do cliente tem a função do seu
supervisionamento.
Para a monitoração do sistema, foram definidos três tipos de faixas de
supervisão, conforme ilustradas na Figura 3.25. Estas podem ser selecionadas e
editadas através dos programas do servidor e do cliente, onde:
NI – Nível Inferior.
NS – Nível Superior.
NI1 – Nível Inferior 1.
NI2 – Nível Inferior 2.
NS1 – Nível Superior 1.
NS2 – Nível Superior 2.
82
Figura 3.25. Tipos de faixas de supervisão: (a) faixa de supervisão máxima; (b) faixa
de supervisão mínima; (c) faixa de supervisão intermediária.
Para a faixa de supervisão mostrada na Figura 3.25(a), é monitorado o valor
máximo de determinado parâmetro, sendo os patamares NS e NI programados pelo
usuário. Tais patamares estabelecem o status do parâmetro de acordo com sua
faixa de supervisão.
Se para esse tipo de faixa, o valor corrente do parâmetro estiver abaixo do
nível inferior (NI) pré-programado, o status do parâmetro estará normal (área verde
da faixa).
Se o valor do parâmetro estiver entre os patamares NI e NS (área amarela da
faixa), o status do parâmetro indicará atenção, pois o parâmetro estará próximo de
seu limite de operação pré-estabelecido.
No último caso, se esse valor estiver acima do nível NS (área vermelha da
faixa), indicará que o determinado parâmetro ultrapassou sua faixa de supervisão
permitida, indicando assim ao usuário, que uma ação de controle poderá ser
necessária.
Para o tipo de faixa mostrada na Figura 3.25(b), é monitorado o valor mínimo
do parâmetro. Nesse caso, se seu valor atual estiver acima do nível NS, o status do
parâmetro estará normal, pois corresponde à área verde da faixa de supervisão.
83
Valores entre NI e NS indicarão atenção ao usuário, pois corresponde a área
amarela da faixa, estando assim, próximo do limite de operação pré-estabelecido.
Para o último caso, se o valor corrente do parâmetro monitorado estiver
abaixo do nível NI, este estará fora de sua faixa de supervisão e, assim, uma ação
de controle poderá ser necessária ser efetuada pelo cliente.
O último tipo de faixa é mostrado na Figura 3.25(c), e corresponde à
combinação das faixas mínima e máxima em uma só. Nesse caso, deseja-se que
determinado parâmetro opere não somente acima ou abaixo de determinado valor,
mas sim dentro de determinada faixa de variação do parâmetro.
Nesse caso, o status do parâmetro estará normal se seu valor atual estiver
entre os níveis NI2 e NS1 (área verde da faixa), conforme mostrado na Figura
3.25(c).
Para valores entre NS2 e NS1 ou entre NI2 e NI1, ter-se-á o valor do
parâmetro dentro da área amarela da faixa, indicando assim, que o determinado
parâmetro estará próximo de seu limite de operação.
Finalmente, para valores acima de NS2 ou abaixo de NI1 (área vermelha da
faixa), o valor do parâmetro terá ultrapassado sua faixa normal de operação.
Como será descrito na próxima seção, se o valor de determinado parâmetro
ultrapassar sua faixa de operação máxima, tanto no lado do cliente como no lado do
servidor, será enviada para o painel eletrônico de status a informação de que o dado
parâmetro ultrapassou sua faixa de operação pré-estabelecida sendo, portanto,
exibida no painel. Ao mesmo tempo em que essa informação for exibida no painel de
status, no painel de dados será exibido o valor corrente desse parâmetro.
84
3.7 Sistema de Visualização de Parâmetros via Painel Eletrônico de
Mensagens
Há décadas atrás, leds de alta intensidade começaram a entrar no mercado a
um custo acessível. Isso levou muitos pesquisadores a começarem a utilizá-los
como meio de transmitir e compartilhar informações.
No trabalho apresentado em [36], leds de alta intensidade foram utilizados
para modular o sinal de semáforos com informações de áudio. Dessa forma, se um
motorista tivesse em seu carro um receptor específico instalado, informações de
trânsito ou de qualquer tipo poderiam ser transmitidas aos motoristas, de forma a
alertá-los sobre acidentes ocorridos nas imediações ou indicando as melhores rotas
a serem seguidas, auxiliando-os assim, na tomada de decisões.
Nos dias de hoje é comum a utilização de painéis eletrônicos nas rodovias, de
forma a alertar os motoristas sobre acidentes, tráfego ou indicando rotas a serem
seguidas pelos motoristas.
A utilização de painéis eletrônicos em um sistema supervisório é a principal
inovação proposta nesse trabalho. Além de dispensar o usuário do trabalho de ter
que verificar de tempo em tempo os parâmetros do sistema na tela do computador,
os painéis permitem que o sistema possa ser monitorado não apenas pelo usuário
que possui o programa, como também, por usuários comuns que possam visualizar
as mensagens exibidas no painel.
Dessa forma, o programa supervisório pode exibir continuamente os
parâmetros do sistema monitorado, e no caso de uma pane ou falha do sistema, o
painel pode exibir frases de alerta, indicando as possíveis falhas ocorridas, ou
requisitando uma ação de controle do usuário.
85
Com a utilização de efeitos visuais no painel, tais como o de fazer a
mensagem piscar, ou aumentar a velocidade de exibição, pode-se alertar mais
facilmente o usuário que determinada falha ocorreu no sistema.
Dessa forma, os dados e informações do sistema podem ser exibidos não
somente de maneira estática, mas também utilizando efeitos visuais, tornando assim
o monitoramento do sistema muito mais agradável de ser visualizado pelo usuário.
Portanto, os painéis eletrônicos podem ser empregados como uma
ferramenta de auxílio na transmissão de informações, para as mais diversas áreas e
aplicações.
Existem disponíveis no mercado diferentes tipos de painéis eletrônicos, cuja
aplicação vai desde o emprego em bolsas de valores até a utilização em
propagandas publicitárias. Dentre os principais tipos, pode-se destacar os painéis
segmentados e os de matrizes de led.
A representação de dados em displays segmentados ou utilizando matrizes
de led, tem sido o foco de muitas pesquisas [37-42]. Isso se deve ao fato de que
nem todos os países possuem a grafia convencional, utilizando os caracteres
alfanuméricos.
Tal representação depende da cultura do país, e não pode ser desprezada, já
que países como a China, por exemplo, possui cerca de 1/5 da população mundial,
bem como a Índia que possui mais de 900 milhões de habitantes. Os países do
Oriente Médio são outros exemplos de nações que não possuem a grafia
convencional. Assim, a escolha de um display que possa levar em consideração tais
grafias é de suma importância.
86
Surakampontorn et. al. em [37] estudaram uma forma de representar os
números em formato BCD para uma representação em números tailandeses
utilizando-se de um display de 9 segmentos.
Para isso, foi montada uma tabela verdade com as entradas BCD, e anotadas
as saídas desejadas do display segmentado.
Utilizando-se de lógica booleana e do teorema de Morgan foram obtidas as
correspondentes saídas para os segmentos do display em função das entradas
BCD.
Da mesma forma, Lau e Jawalekar em [38] utilizando-se de um display de 13
segmentos, projetaram um circuito digital capaz de fazer a conversão de números
em formato BCD para números em formato hindu. Os procedimentos utilizados
nesse conversor foram os mesmos utilizados em [37], ou seja, foi montada uma
tabela verdade com as entradas em formato BCD e anotadas as correspondentes
saídas desejadas dos segmentos do display. Utilizando-se novamente de lógica
booleana, chegou-se a um circuito conversor BCD para o formato hindu.
Lakeou et. al. em [39] estudaram uma forma de representar números BCD em
aramaicos. Entretanto, ao invés de utilizar displays do tipo segmentado, optou-se por
fazer tal representação em uma matriz de led de 5x7, ou seja, a mesma que será
utilizada no painel monocromático desse projeto.
Utilizando-se de portas lógicas e registradores, foi desenvolvido um sistema
capaz de fazer essa conversão. Tal representação resultou em um circuito
relativamente complexo e oneroso, pois envolvia uma grande quantidade de portas
lógicas. E mesmo utilizando componentes de lógica programável, o qual possuem
centenas de portas lógicas, o custo ainda seria relativamente elevado para a função
87
que esse circuito teria, ou seja, apenas fazer a conversão de números em formato
BCD para a representação em aramaico.
Um dos principais problemas desses três tipos de implementações, é que
estas requerem circuitos digitais relativamente grandes, os quais seriam
praticamente inviáveis utilizando circuitos digitais discretos. Mesmo se a
implementação fosse feita utilizando circuitos de lógica programável, o custo seria
alto para uma simples função de conversão.
Outro ponto a se destacar é que se esses conversores fossem
implementados em um sistema multi-numérico seria necessário um conversor para
cada linguagem, o que inviabilizaria o sistema a baixo custo, a não ser que fosse
produzido em escala industrial.
Uma solução encontrada para sistemas multi-numéricos foi apresentada por
[40]. Nesse trabalho é apresentado um sistema que utiliza PROM’s para solucionar
esse problema. Para tal sistema, as entradas BCD são ligadas diretamente ao
barramento de endereço das PROM’s. Assim, para cada endereço na memória, ter-
se-ia um correspondente dado armazenado, o qual seria diretamente ligado a um
display de 16 segmentos. Dessa forma, selecionando-se a linguagem desejada
através de uma chave, e aplicando-se as entradas BCD no barramento de endereço,
obter-se-ia no display segmentado o número BCD previamente armazenado na
linguagem desejada.
Este sistema é bem mais robusto que os demais por requerer apenas duas
PROM’s e por possibilitar a programação de qualquer grafia que possa ser
representada em displays de 16 segmentos.
Embora todos os sistemas apresentados realizem a conversão de números
BCD para a grafia apropriada, nenhum deles prevê a utilização de letras. Uma
88
solução para esse problema é apresentada por [41]. Nesse artigo é apresentada
uma proposta para a exibição de caracteres arábicos através da utilização de
matrizes de led.
Similarmente à [40], foi utilizado um sistema de ROM’s, o qual armazena em
sua memória todos os caracteres do alfabeto, e conforme a entrada aplicada obtém-
se na matriz de led correspondente o mapeamento do caractere. Nesse caso, o
caractere poderia ser tanto um número como uma letra.
Embora esse sistema apresente mais opções que os demais, pois poderia ser
adaptado para mostrar caracteres em outras grafias, é necessário utilizar uma ROM
de 64x8 para cada coluna da matriz de led. Assim, para se mostrar uma mensagem
com 16 caracteres, onde cada caractere é formado por 5 colunas, seriam
necessárias 5 (colunas/Matriz de Led) x 16 (Matriz de Led) = 80 (colunas) = 80
(ROM’s), o que teria um custo muito elevado, além de tornar o sistema de
acionamento altamente complexo.
Uma forma de contornar esse problema foi apresentada por [42]. Utilizando-
se de um sistema composto por EPROM’s, latches e contadores em anel, foi
montado um painel capaz de mostrar em quatro matrizes de led os dados
previamente armazenados em código BCD. Através do contador em anel, é feita a
varredura das linhas das matrizes de led. Assim, as linhas são amostradas a uma
taxa tão alta que para o usuário torna imperceptível que estas são amostradas
seqüencialmente, dando a impressão visual de que os números estão estáticos nas
matrizes de led.
Esse sistema pode ser considerado o mais robusto de todos os apresentados,
por ser constituído por um hardware mais simples. Entretanto, algumas das
limitações desse projeto é que ele foi projetado apenas para exibir números nas
89
matrizes de led. Alterando-se o mapeamento de memória, como em [41], é possível
adaptar esse sistema para mostrar letras, mas mesmo assim, tanto as letras como
os números apareceriam estáticos nas matrizes de led.
Para se contornar esse problema, é proposto nesse projeto a utilização de um
microcontrolador ao invés de EPROM’s no controle das linhas e colunas das
matrizes. Dessa forma, podem ser adicionados efeitos na exibição de mensagens,
sendo, portanto, ainda mais robusto e possuindo um hardware mais simples, como
será visto adiante, do que todas as metodologias mencionadas anteriormente.
3.7.1 Painel Eletrônico Monocromático
A metodologia utilizada nesse projeto, tanto para o painel eletrônico
monocromático como para o tricolor aproxima-se da apresentada em [42], ou seja,
utiliza a amostragem dos leds para a exibição das frases. Entretanto, ao invés de
utilizar EPROM’s foi utilizado um microcontrolador juntamente com registradores de
deslocamento de modo a se fazer o acionamento das matrizes de led. Nesse caso,
diferentemente da metodologia apresentada em [42], a qual faz a amostragem das
linhas, é feita a amostragem das colunas, o que facilita seu acionamento conforme
será descrito a seguir.
Nesse sistema, para se mostrar um único caractere no painel, é necessário
amostrar coluna por coluna em cada varredura do display. Como existem 16
matrizes de led com cinco colunas cada, tem-se um total de 80 colunas a serem
amostradas.
O diagrama esquemático de uma única matriz de led monocromática é
mostrado na Figura 3.26.
90
Figura 3.26. Matriz de led catodo comum C-5570X.
As matrizes de led são construídas de modo a se utilizar o mínimo número de
fios. Devido a essa razão suas colunas e linhas são multiplexadas e, portanto, não é
possível acender os leds desejados de duas colunas ao mesmo tempo, caso seja
adotada a amostragem por coluna. Assim, utilizando-se esse tipo de amostragem, as
colunas da matriz devem ser acionadas uma de cada vez.
Para selecionar uma coluna da matriz de led do tipo catodo comum, é
necessário colocar nível lógico “0” no pino correspondente da coluna, de modo a
habilitá-la, e permitir que seus leds possam ser acesos. Para acender um led da
coluna habilitada, basta colocar nível lógico “1” na linha correspondente.
Enquanto uma coluna está habilitada, as demais devem permanecer inibidas.
Para isso, é necessário colocar nível lógico “1” nessas colunas.
Esse é o procedimento utilizado para o acionamento de uma única matriz de
led. Para esse projeto que é composto por 16 matrizes, a idéia foi utilizar um banco
de registradores de deslocamento em cascata, de modo que estes façam a seleção
das colunas das matrizes, diminuindo assim, o número de pinos necessários para o
seu acionamento pelo microcontrolador.
91
Nesse caso, aplicando-se nível lógico “0” na entrada do banco de
registradores, e sucessivos pulsos de clock no mesmo, o bit de entrada deslocar-se-
ia de saída em saída do banco, fazendo assim a seleção seqüencial das colunas
das matrizes de led.
Tanto para as linhas como para as colunas das matrizes de led, é necessário
adicionar drivers de corrente, pois nem o AT89S52, nem os registradores de
deslocamento são capazes de fornecer corrente suficiente para que os leds
acendam com intensidade suficiente, de modo a serem visualizados com clareza no
painel.
Na Figura 3.27 é ilustrado o diagrama esquemático do hardware de
acionamento para 3 matrizes de led. O circuito para as 16 matrizes seria
praticamente o mesmo, apenas adicionando mais 13 matrizes nas linhas e
aumentando-se o número de saídas do banco de registradores, adicionando-se
então mais registradores em cascata.
Figura 3.27. Circuito de acionamento para 3 matrizes de led.
92
Pela figura anterior, para se selecionar determinada coluna do painel, basta
dar um número suficiente de pulsos de clock no pino CLK do banco de registradores,
selecionando assim a coluna desejada.
Para se acender os leds dessa coluna, basta escrever o byte desejado na
porta P1 do AT89S52, fazendo assim acender os leds das linhas correspondentes.
Todas as linhas das matrizes de led são ligadas em paralelo, e dessa forma,
para se fazer o acionamento das 16 matrizes, são necessários apenas 10 bits das
portas do AT89S52, conforme se pode verificar pela Figura 3.27.
Utilizando-se dessa metodologia, para se escrever uma mensagem no painel,
basta selecionar coluna por coluna e escrever seu correspondente byte na linha.
Para se produzir a ilusão de que todas as colunas estão acesas ao mesmo
tempo, é necessário fazer o acionamento das 80 colunas de forma tão rápida que o
olho humano não perceba a amostragem de cada coluna do painel.
Adotou-se assim a freqüência de amostragem de 75Hz para o painel, de
modo que este fosse visualizado com mais naturalidade.
Utilizando-se de um cristal de 21.45666 MHz no AT89S52, cada instrução de
escrita em qualquer uma de suas portas levará cerca de 0,56us para ser executada.
Assim, para se exibir uma frase no painel será necessário ter uma taxa de
amostragem de cada coluna de no mínimo:
Período Mínimo (s) = 1/(80 colunas x 75 Hz) = 1,67.10
-4
s (3.28)
Freqüência mínima (Hz) = 1/(Período Mínimo) = 6 kHz (3.29)
93
Conhecendo-se o tempo de escrita em cada porta do AT89S52, tem-se que
esse microcontrolador é suficiente para controlar os registradores de deslocamento
que farão a seleção das colunas das matrizes de led.
Entretanto, deve-se ressaltar que o programa de exibição de mensagens no
painel possui diversas outras sub-rotinas que consomem tempo e, portanto, o tempo
máximo que todo esse conjunto de sub-rotina deve levar, deverá ser inferior ao
período mínimo de 167μs.
Na Figura 3.28 é ilustrado um exemplo de seleção e escrita em uma das
colunas do painel. A cada pulso de clock gerado no pino CLK do banco de
registradores, habilita-se uma nova coluna, na qual podem ser acesos seus
correspondentes leds. Tanto o controle do pino CLK como o de suas linhas são
realizados pelo microcontrolador.
Figura 3.28. Seleção e escrita em uma das colunas do painel monocromático.
Aplicando-se sucessivos pulsos de clock na entrada CLK do banco de
registradores, e escrevendo o correspondente valor na linha, consegue-se fazer com
que o painel seja varrido coluna por coluna até se chegar na última coluna da última
94
matriz de led. Utilizando-se uma taxa de clock de no mínimo 6kHz, a varredura
torna-se tão rápida que o olho humano não consegue perceber que as letras que
aparecem nas matrizes são uma varredura contínua de suas colunas.
A vantagem de se utilizar um microcontrolador para se controlar os
registradores de deslocamento ao invés de EPROM’s como em [42], se deve ao fato
de que no primeiro caso se pode fazer com que a mensagem seja exibida com
efeitos dinâmicos, o que não pode ser realizado com a metodologia adotada
utilizando EPROM’s.
Através desse sistema, também se consegue exibir mensagens em qualquer
grafia que possa ser representada em uma matriz de led de 5x7, bastando para isso,
programar na memória do microcontrolador as colunas de cada caractere na grafia
desejada. Dessa forma, esse sistema apresenta-se muito mais robusto e eficiente do
que os apresentados anteriormente.
Outra grande vantagem desse sistema é o custo, que é inferior aos das
demais metodologias, utilizando-se um mesmo número de matrizes de led. O custo
do painel é função principalmente das matrizes de led, drivers de corrente e
registradores de deslocamento.
Os drivers de corrente são necessários já que tanto o microcontrolador como
os registradores de deslocamento não fornecem corrente suficiente para acionar as
matrizes de led.
Portanto, para o acionamento das linhas das matrizes de led, foram
projetados os drivers de corrente ilustrados na Figura 3.29.
95
R4
10k
R6 10k
R1
10k
R5 10k
VCC
R2 10k
R7 10k
R3 10k
L1 L2
L5
L3
L4
L6 L7
Q1
BC556
Q2
BC556
Q3
BC556
Q4
BC556
Q5
BC556
Q6
BC556
Q7
BC556
AT89S52
Microcontrolador
1
2
3
4
5
6
7
P1.6
P1.0
P1.5
P1.2
P1.3
P1.4
P1.1
Figura 3.29. Driver de acionamento das linhas do painel eletrônico monocromático.
Quando o programa do microcontrolador escrever, por exemplo, nível lógico
“0” na porta P1.0, o transistor Q1 irá saturar, fazendo assim com que o led da linha 1
acenda se sua respectiva coluna estiver habilitada.
Se um nível lógico “1” na mesma porta for aplicado, o mesmo transistor
entrará em corte, fazendo assim com que uma tensão próxima de 5V apareça entre
seu coletor e emissor, não permitindo então que o led da linha 1 acenda,
independentemente se a coluna está habilitada ou não.
Para se fazer o acionamento das colunas das matrizes de led é necessário
também utilizar drivers de corrente. O circuito projetado para o acionamento das
colunas das matrizes é ilustrado na Figura 3.30.
96
Figura 3.30. Circuito de acionamento das colunas do painel eletrônico
monocromático.
Essa figura mostra o circuito de acionamento das colunas de uma única
matriz de led. O circuito é composto por um registrador de deslocamento conectado
a um driver de corrente. O driver utilizado consiste do ULN2803, que é um integrado
composto por 8 circuitos darlington NPN independentes, enquanto que para o
registrador de deslocamento foi utilizado o integrado 74LS164.
Nesse circuito, as saídas Q
i
do 74LS164 são conectadas às entradas In
i
do
ULN2803. As saídas desse último são ligadas diretamente nas colunas das matrizes
de led.
O banco de registradores de deslocamento é obtido conectando-se a saída
Q7 de cada registrador de deslocamento na entrada A do registrador seguinte.
Como cada matriz monocromática possui 5 colunas, restam 3 saídas do
ULN2803 para cada matriz ligada. Nesse caso, as saídas que restam são ligadas
nas colunas da matriz de led seguinte. Assim, para o primeiro caso se ligaria as 3
saídas que sobram do ULN2803 nas colunas 1, 2 e 3 da próxima matriz de led.
97
Como se tem 80 colunas para serem acionadas, e como os ULN2803
possuem 8 saídas cada, serão necessários dez ULN2803, bem como dez 74LS164
para se fazer o acionamento das 16 matrizes de led.
3.7.2 Painel Eletrônico Tricolor
O painel eletrônico tricolor projetado possui um funcionamento similar ao
painel monocromático, com a diferença que ele exibe frases em três cores diferentes
(vermelha, amarela e verde).
Cada ponto da matriz de led colorida é composto por dois tipos de led (verde
e vermelho), sendo que a cor amarela é obtida ao se acender os leds de cor verde e
vermelha ao mesmo tempo.
A matriz colorida utilizada nesse projeto consiste da matriz XMURG60C8, que
é composta de 8 linhas x 8 colunas.
O diagrama esquemático dessa matriz é mostrado na Figura 3.31.
Figura 3.31. Diagrama esquemático da matriz colorida XMURG60C8.
98
Como pode ser visto nessa figura, as colunas e linhas dessa matriz são
duplas, sendo uma para cada tipo de led. As linhas L
i
R e colunas C
i
R representam
os leds de cor vermelha, enquanto que as Linhas L
i
G e colunas C
i
G representam os
leds de cor verde.
Para facilitar o hardware, foram conectadas as colunas das duas cores em um
mesmo ponto, de modo que ao se selecionar uma das colunas, estará se
selecionando as colunas das duas cores ao mesmo tempo, tornando assim, o
acionamento das colunas similar ao da matriz monocromática.
O diagrama esquemático de acionamento das colunas de uma única matriz
de led colorida é mostrado na Figura 3.32.
Figura 3.32. Diagrama esquemático do acionamento das colunas de uma matriz de
led colorida.
Como se pode observar nessa figura, o acionamento é similar ao da matriz
monocromática, entretanto, o número de pinos de saída do ULN2803 é igual ao
número de colunas da matriz de led colorida. Dessa forma, não restam pinos de
saída desse driver, facilitando assim as ligações do hardware em relação ao painel
monocromático.
99
Como as colunas das duas cores são ligadas ao mesmo ponto, é necessário
separar as linhas; caso contrário, sempre as mensagens seriam mostradas na cor
amarela.
No esquemático anterior, as linhas do tipo L
i
G, correspondem às linhas dos
leds de cor verde, enquanto que as linhas L
i
R correspondem às linhas dos leds de
cor vermelha.
As linhas L
i
G e L
i
R são conectadas aos drivers das linhas conforme será
explicado a seguir.
A matriz de led colorida utilizada possui uma linha a mais do que a matriz de
led monocromática e, além disso, o número de linhas é dobrado, pois as linhas das
cores verde e vermelha são separadas.
Nesse caso é necessário utilizar 16 saídas do AT89S52 para se acessar as
linhas das matrizes de led.
Como o microcontrolador utilizado não possui porta suficiente disponível, pois
a ele é conectada uma RAM externa de 32kbytes, é necessário multiplexar uma de
suas portas de 8 bits. Para isso são utilizados 2 latch tipo D, de forma a se duplicar a
porta de saída P1. O latch escolhido foi o 74HC373, que é composto de oito latches
tri-state tipo D.
O diagrama esquemático da Figura 3.33 ilustra a multiplexação da porta P1
do microcontrolador.
100
Figura 3.33. Multiplexação da porta P1 do AT89S52.
As linhas L
i
G e L
i
R ilustradas na figura anterior são conectadas às linhas das
matrizes de led mostradas na Figura 3.32.
Para se escrever um byte na saída do latch U1, por exemplo, deixa-se o latch
U2 inibido, e habilita-se o latch U1, de modo que todos os bits presentes na entrada
desse latch sejam transferidos para sua correspondente saída. Feito isso, trava-se
esse mesmo latch, de modo que em sua saída se mantenha os valores dos bits
entrados até a chegada do próximo byte a ser escrito.
Assim, através do pino de habilitação de cada latch (pino LE ), seleciona-se o
latch no qual se deseja escrever o byte, fazendo com que os leds da coluna
habilitada possam acender conforme o byte de saída de cada latch.
101
No caso de se desejar acender determinado led na cor amarela, basta
acender ao mesmo tempo os leds das cores vermelha e verde através dos bits de
saídas dos seus respectivos latches.
Dessa forma, o hardware de acionamento das colunas da matriz de led
tricolor será similar ao da matriz monocromática. A única diferença de hardware será
no acionamento das linhas. Nesse caso, é necessário utilizar latches para duplicar a
porta P1 e utilizar o dobro de transistores nas linhas, devido a essas serem
separadas para cada tipo de led.
Na Figura 3.34 é ilustrado o diagrama simplificado para o acionamento de
uma única matriz de led colorida.
Figura 3.34. Diagrama simplificado de acionamento de uma única matriz de led
colorida.
Nessa figura as colunas C
i
’ correspondem às colunas C
i
G e C
i
R que são
conectadas no mesmo ponto de modo a simplificar o hardware.
102
Tanto para o painel monocromático quanto para o painel tricolor, foi utilizada
uma RAM externa de 32 kbytes de capacidade, de modo a armazenar as frases
enviadas pelo computador cliente para posterior exibição.
Após a recepção de todos os caracteres de uma frase, o programa do
microcontrolador monta em sua RAM externa o mapeamento das colunas de cada
caractere, e em seguida, através de uma sub-rotina para cada tipo de efeito, faz a
exibição da mensagem conforme o efeito selecionado pelo usuário.
O sistema de visualização de parâmetros via painel eletrônico é a principal
inovação proposta neste sistema supervisório.
Para a exibição dos parâmetros coletados nos painéis eletrônicos, basta o
usuário conectá-los ao computador do cliente e habilitar a exibição das mensagens
pelo programa, utilizando-se de um botão de requisição, conforme será mostrado
nos resultados dessa seção.
Ao habilitar os painéis eletrônicos, os dados sob supervisão e informações de
status do sistema serão exibidos automaticamente.
O computador cliente é o responsável por fazer o gerenciamento das
mensagens nos painéis. A comunicação entre computador e painéis é feita via porta
serial, ou seja, utilizando o protocolo RS-232.
Para a exibição das mensagens nos painéis, foi primeiramente feito um
programa para apenas exibir mensagens digitadas em uma caixa de texto, sendo
estas exibidas no painel escolhido pelo usuário. Após essa etapa, o programa foi
adaptado para a exibição automática de parâmetros e informações de status do
sistema, conforme a proposta do projeto.
103
Como mencionado anteriormente, o painel monocromático é responsável por
fazer a exibição das mensagens de status do sistema. As informações que foram
programadas para serem exibidas nesse painel foram:
- Delay dos dados recebidos.
- Latência da rede.
- Tempo de Conexão.
- Horário.
- Mensagens de supervisão.
O delay dos dados recebidos corresponde ao tempo médio que determinado
cliente demora a receber um bloco de dados coletados.
A latência da rede corresponde ao tempo médio que um datagrama leva para
ir do servidor ao cliente.
O tempo de conexão corresponde ao intervalo de tempo que o cliente está
conectado no servidor monitorando o sistema.
As mensagens de supervisão são as frases exibidas no painel, que informam
ao cliente que determinado parâmetro monitorado ultrapassou sua faixa de
supervisão pré-programada, ou que determinado controlador assumiu o controle do
sistema.
Como comentado anteriormente, se o valor de determinado parâmetro sair de
sua faixa normal de operação, uma mensagem no painel de status será exibida,
alertando o usuário da ocorrência desse evento.
No caso do parâmetro ultrapassar a faixa de supervisão no lado do servidor,
este enviará aos clientes conectados, via TCP/IP, a mensagem que determinado
104
parâmetro saiu de suas condições normais de operação, e assim, cada cliente
exibirá em seu respectivo painel de status a mensagem de alerta.
Outra funcionalidade adicionada foi permitir ao cliente escrever mensagens
complementares a serem exibidas em qualquer um dos painéis eletrônicos. Esse
procedimento é feito também no lado do servidor, permitindo que este também tenha
acesso aos painéis eletrônicos. Nesse caso, as mensagens do servidor seriam
difundidas como uma espécie de broadcast a todos os painéis dos clientes
conectados.
Dessa forma, se o servidor desejar exibir uma mensagem adicional de alerta
no painel de status dos clientes, bastará no seu próprio programa selecionar o painel
que deseja escrever a mensagem, escolher o efeito e velocidade, e pressionar o
botão de envio. Feito isso, a mensagem será enviada via TCP/IP a todos os clientes
conectados, sendo, portanto, exibidas em seus respectivos painéis de status.
O painel de status, por apenas exibir mensagens informativas, foi projetado
de modo a utilizar matrizes de led monocromáticas, ou seja, matrizes de uma única
cor. Nesse caso foram escolhidas matrizes de led de cor vermelha.
O painel de dados foi projetado para utilizar matrizes de led coloridas. Nesse
caso, a função das cores é a de representar o status do parâmetro monitorado de
acordo com sua faixa de supervisão pré-estabelecida.
Se o parâmetro monitorado, por exemplo, for a tensão do motor e o tipo de
faixa escolhida for a intermediária, conforme mostrada na Figura 3.25(c). Se fosse
configurado os valores dos patamares mostrados nessa figura como NI1=4V,
NI2=5V, NS1=6V e NS2=7V, o parâmetro seria mostrado na cor verde no painel,
caso a tensão medida estivesse entre 5 e 6V (área verde da faixa), indicando assim
que o status do parâmetro está normal.
105
Se esse valor estivesse entre 4 e 5V ou entre 6 e 7V (área amarela da faixa),
o parâmetro seria mostrado na cor amarela, indicando atenção ao usuário, pois o
valor do parâmetro está próximo do limite de operação pré-estabelecido.
No último caso, se o valor monitorado estivesse abaixo de 4V ou acima de 7V
(área vermelha da faixa) o parâmetro seria mostrado na cor vermelha, indicando que
o parâmetro saiu de sua faixa normal de operação.
A exibição de mensagens não é feita somente utilizando mensagens
estáticas, mas também através de efeitos dinâmicos. O usuário do programa pode
selecionar o tipo de efeito que deseja para cada parâmetro do sistema, bem como
para cada informação de status.
Foram implementados 14 efeitos diferentes para cada painel, sendo estes
listados a seguir:
1) Mensagem Parada.
2) Mensagem Piscando.
3) Mensagem Rolando de Cima para Baixo.
4) Mensagem Rolando de Baixo para Cima.
5) Mensagem Montada em Tiras para Baixo.
6) Mensagem Montada em Tiras para Cima.
7) Rolagem Horizontal da Esquerda para Direita.
8) Rolagem Horizontal da Direita para Esquerda.
9) Mensagem Dividida ao Meio.
10) Mensagem Exibida das Extremidades para o Meio.
11) Mensagem Exibida do Meio para as Extremidades.
12) Tiras Exibidas Aleatoriamente.
106
13) Pacman.
14) Faixa Horizontal de Fora para Dentro.
Na Figura 3.35 é ilustrada uma seqüência de imagens, representando o Efeito
3, ou seja, o efeito de Rolagem de Cima para Baixo da mensagem.
Figura 3.35. Representação do efeito de rolagem de cima para baixo de uma dada
mensagem.
Os efeitos não foram implementados no programa do cliente, e sim no
programa do microcontrolador, de forma que para se exibir uma mensagem com
determinado efeito e velocidade, basta o computador cliente enviar via porta serial
ao microcontrolador os bytes da frase, efeito e velocidade selecionados.
Ao receber essa cadeia de bytes, o AT89S52 monta em sua memória RAM os
bytes das colunas de cada caractere da mensagem, para posterior exibição.
107
O hardware do AT89S52 foi projetado de forma a se mostrar não apenas
frases curtas, mas permite que sejam exibidas frases longas de até 4000 caracteres,
podendo assim ser utilizado até na exibição de pequenos textos.
A partir do programa do cliente, o usuário pode também selecionar para o
painel tricolor, as cores das linhas das matrizes de led. Isso permite, por exemplo,
que o usuário escreva uma mensagem com as duas primeiras linhas na cor
vermelha, as duas seguintes na cor verde, e as restantes na cor amarela, dando
assim um maior apelo visual à mensagem.
Por intermédio de tal programa é possível também configurar individualmente
o efeito de cada parâmetro sob supervisão.
Todas as configurações feitas podem ser salvas em arquivo e restauradas
conforme desejado. Esse procedimento também é feito para as faixas de
supervisionamento pré-programadas pelo usuário, permitindo assim, que o usuário
não tenha que defini-las novamente toda vez que executar o programa.
3.8 Interface de Entrada via Controle Remoto Infravermelho
Para esse projeto, foi desenvolvida uma interface de entrada via controle
remoto infravermelho, de modo que o cliente possa configurar a tensão ou
velocidade de rotação do eixo do motor DC diretamente no painel eletrônico de
status, utilizando-se para isso, de um controle remoto infravermelho e um circuito
receptor convenientemente projetado.
Como o sistema pode ser monitorado diretamente através dos painéis
eletrônicos, uma interface de entrada que permita enviar ações de controle ao
sistema, sem a necessidade de utilizar o teclado do computador é de suma
importância, pois não se teria muito sentido fazer a monitoração do sistema através
108
de painéis, visto que para se para enviar as ações de controle é necessário utilizar o
teclado do computador.
Assim, por intermédio dos painéis e dessa interface de entrada é possível o
usuário monitorar e controlar o sistema sem a necessidade de utilizar diretamente o
computador, flexibilizando assim o sistema supervisório desenvolvido.
Para esse projeto foi utilizado um controle remoto de uma TV Sanyo, o qual
utiliza o integrado LC7461M para transmitir o valor da tecla pressionada pelo
usuário.
Como na maioria dos controles remotos infravermelhos, o código de cada
tecla pressionada é enviado modulando-se o sinal digital com uma portadora na
faixa de 30 a 60kHz.
A portadora utilizada pelo LC7461M é de 38kHz, o que corresponde a um
período de 26,3μs.
O código de transmissão utilizado por esse integrado é parecido com o código
de transmissão da NEC; entretanto, diferentemente deste último, o qual transmite 8
bits para identificação do dispositivo e 8 bits para identificação da tecla, o código da
Sanyo envia 13 bits para identificação do dispositivo e 8 bits para a identificação da
tecla.
Portanto, quando o usuário pressionar qualquer tecla desse controle, serão
enviados: 13 bits de identificação do dispositivo, 8 bits de identificação da tecla e
mais 21 bits que correspondem aos códigos invertidos desses dois números de
identificação.
Na Figura 3.36 é mostrada a organização dos bits transmitidos pelo controle
remoto infravermelho da Sanyo:
109
Erro!
C
0
C
1
C
2
C
3
C
4
C
5
C
6
C
7
C
8
C
9
C
10
C
11
C
12
D
0
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
D
0
C
0
C
1
C
2
C
3
C
4
C
5
C
6
C
7
C
8
C
9
C
10
C
11
C
12
Código de identificação do
dispositivo
Código invertido de
identificação do
dis
p
ositivo
Código da tecla
pressionada
Código invertido da
tecla pressionada
Figura 3.36. Organização dos bits transmitidos pelo controle infravermelho da
Sanyo.
A transmissão dos códigos invertidos dos bits facilita a detecção de erros na
recepção dos dados, o que corresponde a uma vantagem em relação a alguns
códigos de transmissão, tais como o RC5 da Philips. Entretanto, este último tem a
vantagem de se enviar apenas 14 bits, enquanto que o código da Sanyo envia um
total de 42 bits.
Os bits de C
0
a C
12
(Figura 3.36) identificam o dispositivo que utiliza o controle
remoto, tais como rádio, TV, DVD, etc. Dessa forma, o controle de uma TV Sanyo
não interfere no DVD desse mesmo fabricante, pois o código de identificação para
cada dispositivo é diferente.
Os bits de D
0
a D
7
identificam a tecla pressionada, assim, é possível se ter até
256 teclas diferentes utilizando-se o LC7461M.
A transmissão dos dados é iniciada enviando-se primeiramente um trem de
pulsos (burst) de 9ms de duração.
Após isso, os bits são enviados segundo a organização mostrada na Figura
3.36. Na Figura 3.37 é mostrado o diagrama de tempo para os dados enviados pelo
LC7461M.
110
9ms
4,5ms
13,5ms
1,125ms
2,25ms
0,56ms
0
1
0 1
1 0
1
C
0
C
1
C
2
C
3
C
4
C
5
C
6
...
Figura 3.37. Diagrama de tempo para os dados enviados pelo LC7461M.
Como se pode verificar por essa figura, a transmissão dos níveis lógicos “0” e
“1” é feita através do envio de trens de pulso sucessivos, sendo o nível lógico “0”
caracterizado por uma diferença de 1,125ms entre dois trens de pulsos sucessivos,
e o nível lógico “1” caracterizado pelo dobro desse intervalo tempo, ou seja, 2,25ms.
A freqüência do trem de pulsos corresponde à freqüência da portadora, ou
seja, 38kHz, conforme mostrado na Figura 3.38.
8,77us
26,33us
Figura 3.38. Forma de onda da portadora.
Para a recepção dos dados enviados foi utilizado o módulo receptor de
infravermelho TSOP1238. Esse módulo pode ser utilizado não apenas para a
recepção dos dados utilizando-se o código da Sanyo, mas também é compatível
com os códigos da NEC, Toshiba, Sony, RC5, RC6, R-2000, dentre outros.
Na Figura 3.39 é ilustrado o módulo TSOP1238 utilizado nesse projeto.
111
Figura 3.39. Módulo receptor de infravermelho TSOP1238.
Para o circuito receptor foi utilizado o TSOP1238 conectado a um
microcontrolador (AT89S52), sendo este último responsável por decodificar o sinal
proveniente do sensor.
A saída desse módulo (Vout) pode ser conectada diretamente no pino de
interrupção
INT0
do microcontrolador, conforme ilustrado na Figura 3.40.
Figura 3.40. Circuito receptor de infravermelho.
112
Por meio de um programa implementado no microcontrolador, o código
recebido pelo sensor é decodificado, e dessa forma é determinada qual tecla foi
pressionada.
Após essa identificação, é enviado via porta serial um caractere ASCII ao
computador cliente, representando a tecla pressionada.
Assim, toda vez que uma tecla for pressionada, o programa do cliente
receberá esse caractere e o exibirá através do painel eletrônico de status. Dessa
forma, o usuário poderá ajustar diretamente no painel de status a velocidade de
rotação do eixo do motor ou sua tensão de armadura, pois conforme os números
forem sendo pressionados no controle remoto, esses serão exibidos no painel
eletrônico.
Os caracteres especiais do controle remoto tais como “>”, “<”, “+”, “-“, etc,
são utilizados para funções especiais, tais como: entrar nos modos de ajuste de
tensão ou velocidade de rotação do eixo do motor; enviar os valores programados
ao servidor; e correção dos valores entrados no painel.
Quando se pressiona a tecla para entrar no modo de ajuste de tensão do
motor, é exibida uma frase no painel de status indicando a entrada nesse modo.
Procedimento análogo ocorre quando se entra no modo de ajuste da velocidade de
rotação do eixo do motor.
Para se enviar a ação de controle utilizando-se do controle remoto, basta
pressionar a tecla para envio após ajustar o valor desejado no painel.
Após essa tecla ser pressionada, é mostrado no painel de status que a ação
de controle foi enviada ao servidor e é mostrado o valor ajustado pelo cliente.
Para o caso do ajuste da velocidade de rotação do eixo do motor, após o
computador servidor receber o valor da velocidade a ser ajustada, o programa
113
alterará a velocidade de rotação de referência na equação de recorrência do PID
discreto (Equação (3.27)), e assim será feito o controle da velocidade de rotação do
eixo do motor com base nessa nova velocidade de referência, conforme ajustada
pelo usuário.
114
115
4 Resultados da Aplicação do Sistema
Supervisório Desenvolvido
4.1 Introdução
Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos na implementação do
sistema supervisório. Tal capítulo foi dividido em 7 seções listadas a seguir:
- Módulos de Interface Visual do Sistema Supervisório.
- Resultados do Sistema de Aquisição de Dados.
- Resultados do Sistema de Controle.
- Resultados do Sistema de Transmissão e Recepção de Dados via TCP/IP.
- Resultados do Sistema de Supervisão de Parâmetros.
- Resultados do Sistema de Visualização de Parâmetros via Painel Eletrônico
de Mensagens.
- Resultados da Interface de Entrada via Controle Remoto Infravermelho.
As metodologias empregadas em cada uma das seções foram aquelas
descritas no capítulo anterior.
Em relação ao custo do sistema, levando-se em consideração os custos dos
painéis eletrônicos, sistema de aquisição de dados, sistema de ajuste de tensão e
interface de entrada via controle remoto infravermelho, obteve-se um valor inferior a
20% do custo de um sistema supervisório comercial utilizando um CLP e um
software supervisório do tipo SCADA, mostrando assim, um baixo valor agregado
para o sistema supervisório desenvolvido.
116
4.2 Módulos de Interface Visual do Sistema Supervisório
Para o sistema supervisório desenvolvido, existem 4 principais módulos de
interface visual que são os seguintes:
- Visualização do sistema supervisionado através de uma câmera digital.
- Visualização dos parâmetros supervisionados através de labels.
- Visualização dos parâmetros supervisionados através de gráficos.
- Visualização dos parâmetros através dos painéis eletrônicos.
As descrições e resultados de cada interface são mostrados nas seções que
se seguem.
4.2.1 Visualização do Sistema Supervisionado através de uma
Câmera Digital
Com a utilização de uma câmera digital conectada ao computador servidor, a
imagem do sistema é obtida e enviada aos clientes conectados, permitindo assim,
que estes possam realizar uma inspeção visual do sistema, de forma a detectar
possíveis falhas de operação.
A câmera digital utilizada no sistema foi a PC-300 da Creative®, que consiste
de uma webcam convencional de resolução de 600 Megapixel. A comunicação entre
ela e o computador servidor é feita através de um cabo USB.
Embora tenha sido utilizada a câmera PC-300, é possível conectar qualquer
tipo de webcam no sistema sem nenhuma modificação no programa. Mesmo se a
resolução for diferente, o programa identifica automaticamente as configurações da
câmera, sendo possível também alterar as configurações da imagem, tais como
brilho, contraste, dentre outros parâmetros utilizando-se do programa do servidor.
117
Na Figura 4.1 é ilustrada a imagem do sistema, vista tanto do lado do servidor
como do lado do cliente.
(a)
(b)
Figura 4.1. Visualização do sistema através de uma câmera digital: (a) Imagem do
sistema vista pelo programa do servidor; (b) Imagem do sistema vista pelo programa
do cliente.
118
A única diferença entre as imagens é que no lado do servidor a imagem do
sistema é atualizada praticamente em tempo real; enquanto que no lado do cliente,
esta atualização depende da taxa de envio das imagens, a qual é ajustada através
do programa do servidor.
O ajuste dessa taxa de envio é feito através da caixa de seleção (Intervalo de
Envio) mostrada na Figura 4.1(a). Abaixo dessa, é mostrada uma caixa de
verificação para permitir o ajuste automático pelo próprio programa.
Como mencionado no capítulo anterior, esse ajuste é feito por meio da
determinação do tempo médio que o cliente leva para receber todos os bytes de
uma imagem. Assim, o programa do servidor encontra a melhor taxa de envio de
acordo com as disponíveis pelo programa.
4.2.2 Visualização do Sistema Supervisionado através de Labels
Os parâmetros do sistema podem ser visualizados através de labels tanto
pelo programa do servidor como pelo programa do cliente. Os labels nada mais são
que rótulos, que contém os valores atuais dos parâmetros coletados. Estes últimos
são atualizados a cada determinado intervalo de tempo.
Para o sistema projetado, essa atualização é feita a cada 200 ms. Tal tempo
mínimo de atualização é necessário, pois se os valores dos dados fossem exibidos
nos labels conforme sua aquisição, o usuário se sentiria incomodado ao ler um valor
na tela que varia muito rapidamente, mesmo que esse variasse apenas os bits
menos significativos.
Na Figura 4.2 é mostrada a interface visual através de labels para os
programas do servidor e do cliente.
119
(a)
(b)
Figura 4.2. Visualização dos parâmetros através de labels: (a) Programa do
servidor; (b) Programa do cliente.
120
4.2.3 Visualização dos Parâmetros Supervisionados através de
Gráficos
A visualização dos parâmetros supervisionados através de gráficos foi
também implementada tanto no lado do servidor como no lado do cliente.
Para o programa do servidor, conforme os dados vão sendo coletados, estes
são plotados em tempo real em suas respectivas janelas gráficas.
Já para o programa do cliente, os dados são plotados conforme a recepção
dos blocos de dados enviados pelo computador servidor. Assim, por exemplo, se o
servidor regular a taxa de envio dos blocos a cada 1 segundo, com uma taxa de
amostragem de 40 pontos/segundo, então a cada 1 segundo o cliente receberá os
40 pontos de uma só vez, plotando-os assim em seus respectivos gráficos.
Na Figura 4.3 são mostradas as interfaces visuais através de gráficos
implementadas nos dois programas.
(a)
121
(b)
Figura 4.3. Visualização dos parâmetros supervisionados através de gráficos: (a)
Programa do servidor; (b) Programa do cliente.
4.2.4 Visualização dos Parâmetros Supervisionados através de
Painéis Eletrônicos
A visualização dos parâmetros supervisionados através de painéis eletrônicos
é a principal inovação proposta nessa pesquisa.
Com a utilização de um painel eletrônico monocromático para a exibição de
informações de status e um tricolor para exibição dos dados monitorados, a
supervisão do sistema se torna muito mais simples e intuitiva, permitindo que o
sistema seja supervisionado não apenas através do computador, mas também
através de painéis eletrônicos, possibilitando assim uma maior flexibilidade em
relação aos programas supervisórios atuais.
Na Figura 4.4 são mostrados os dois painéis eletrônicos projetados e
implementados para a exibição de dados e parâmetros do sistema.
122
Figura 4.4. Painéis eletrônicos projetados para exibição de dados e informações do
sistema supervisionado.
O painel eletrônico monocromático, por ser composto de apenas um tipo de
led, apresenta uma intensidade luminosa muito maior do que a do painel eletrônico
tricolor, já que cada ponto luminoso é constituído de apenas um tipo de led.
No painel tricolor, cada ponto luminoso é composto de dois tipos de led (verde
e vermelho) e, portanto, ao se acender o led da cor vermelha, por exemplo, é
equivalente a acender metade da intensidade máxima do led vermelho da matriz
monocromática. Por essa razão, o driver da matriz de led tricolor tem que fornecer
uma corrente muito maior em comparação com a matriz de led monocromática.
Através da utilização de cores no painel tricolor para a indicação do status do
parâmetro monitorado, tem-se uma supervisão muito mais intuitiva, permitindo que o
usuário não tenha que memorizar a faixa de supervisão pré-programada para fazer
seu monitoramento, pois basta visualizar no painel a cor na qual o determinado
parâmetro é exibido para conhecer seu status.
Se o valor do parâmetro estiver dentro da faixa pré-programada, ele será
mostrado na cor verde. Se este, estiver próximo do limite de operação pré-
estabelecido, ele será mostrado na cor amarela. E no último caso, se ele ultrapassar
123
sua faixa de supervisão, ele será mostrado na cor vermelha e uma mensagem no
painel de status será exibida, enfatizando que o determinado parâmetro saiu fora de
sua faixa normal de operação.
4.3 Resultados do Sistema de Aquisição de Dados
Como descrito na metodologia apresentada na Seção 3.3, foram testados
inicialmente diferentes amplificadores operacionais para a aquisição da tensão e
corrente do motor, sendo escolhido o amplificador de instrumentação TL071 por ter
apresentado melhor desempenho em comparação aos demais amplificadores.
Embora o TL062 tenha a vantagem de possuir dois amplificadores de
instrumentação em um único encapsulamento, a medida da tensão do motor
utilizando o TL071 ficou muito mais estável do que com o TL062.
Além disso, o TL071 apresenta um produto (largura de banda) x (ganho
unitário) quase duas vezes maior do que o TL062.
Assim, escolhido o amplificador operacional a ser utilizado no projeto, foram
feitos testes de comunicação entre o programa do servidor e o sistema de aquisição
de dados, e se executou os ajustes necessários tanto no programa do servidor como
no do programa do microcontrolador, de modo a minimizar os erros de transmissão
de dados entre esses.
Em seguida, foi modificado o programa do servidor de modo que os dados
recebidos do sistema de aquisição fossem plotados em tempo real nos seus
respectivos gráficos.
A Figura 4.5 mostra os resultados da aquisição dos parâmetros coletados
durante determinado intervalo de tempo.
124
Figura 4.5. Aquisição dos parâmetros supervisionados pelo programa do servidor.
As metodologias empregadas na aquisição de cada parâmetro sob supervisão
funcionaram de acordo com o projetado.
Para verificação do funcionamento do oscilador externo, utilizaram-se um
osciloscópio e um multímetro para medir seu período de oscilação.
Verificou-se que seu período de oscilação é de exatamente 1 Hz, como havia
sido projetado. A precisão desse oscilador é de grande importância, pois é por meio
dele que se determina a freqüência da rede elétrica.
Medindo-se a freqüência da rede utilizando a metodologia apresentada na
Seção 3.3.4, conseguiu-se chegar exatamente aos 60 Hz esperados, mostrando
assim a validade do método.
Na Figura 4.6, é mostrada a exibição dos parâmetros coletados, durante
determinado intervalo de tempo, por meio de labels pelo programa do servidor.
125
Figura 4.6. Exibição dos dados coletados através de labels.
4.4 Resultados do Sistema de Controle da Velocidade de Rotação
do Eixo do Motor
Conforme descrito na metodologia dessa seção, utilizou-se a ferramenta
“ident” do programa MATLAB para fazer a identificação da função de transferência
do sistema a ser controlado.
Na Figura 4.7 é mostrada a resposta ao degrau medida na prática e a obtida
através da ferramenta “ident” do programa MATLAB.
126
Figura 4.7. Resposta de ensaio ao degrau.
Conforme se pode observar nessa figura, a função de transferência estimada
pelo programa MATLAB está bem próxima do comportamento real do sistema. Sua
função de transferência é dada pela Equação (3.27).
18344.1018
551356
)(
2
+
+
=
ss
sF
(3.27)
Conhecendo-se a função de transferência do sistema, simulou-se por
intermédio da ferramenta “simulink” do programa MATLAB o método da última
sensibilidade, de forma a se determinar as constantes K
CRIT
e T
CRIT
do sistema. De
posse desses dois valores, foram então determinados os coeficientes do PID
utilizando-se da Tabela 3.3, e obtida a equação de recorrência dada pela Equação
(3.28).
127
[][
)2()2(0092,0)1()1(0153,0)()(0114,0)1()( −−−+−−−−
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+−= kkkkkkkuku
refrefref
ϖϖϖϖϖϖ
]
]
(3.28)
Após a obtenção dessa equação, a mesma foi implementada no programa do
servidor e foram feitos pequenos ajustes nos coeficientes do PID de forma a se obter
uma taxa de decaimento próxima de ¼, conforme a proposta de Ziegler-Nichols.
Assim, a equação de recorrência final para o controlador PID projetado é
mostrada na Equação (3.29).
[][
)2()2(0094,0)1()1(0174,0)()(01175,0)1()( −−−+−−−−
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+−= kkkkkkkuku
refrefref
ϖϖϖϖϖϖ
(3.29)
A resposta ao degrau para o controlador projetado é mostrada na Figura 4.8.
Figura 4.8. Resposta ao degrau utilizando o PID projetado.
128
Pela resposta ao degrau obtida, observa-se que o PID projetado possui uma
taxa de decaimento bem próxima de ¼ e sobre-sinal de 20%, atendendo assim as
especificações de projeto.
Modificando-se os valores dos coeficientes do PID, pelo programa do
servidor, é possível modificar a dinâmica de controle do sistema. Mas um dos
problemas ao se fazer o tuning manual é não saber como ajustar corretamente cada
um desses três coeficientes.
Assim, é importante o usuário utilizar as ferramentas do MATLAB (“simulink” e
“rltool”) para determinar os coeficientes do PID, e a partir de pequenos ajustes
manuais feitos pelo programa do servidor, fazer o tuning do controlador até se atingir
o desempenho desejado.
Como um exemplo dessa metodologia, foram modificados os coeficientes do
PID de modo a obter uma resposta de controle mais rápida, conforme mostra a
Figura 4.9.
Figura 4.9. Resposta ao degrau modificando os coeficientes do PID projetado.
129
A equação de recorrência para esse PID é dada pela Equação (3.30).
[][
)2()2(0262,0)1()1(0621,0)()(036,0)1()( −−−+−−−−
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+−= kkkkkkkuku
refrefref
ϖϖϖϖϖϖ
]
(3.30)
Como se pode visualizar pela Figura 4.9, diminuir o tempo de resposta do
sistema acarreta em um aumento do sobre-sinal, além de um aumento no tempo de
acomodação do sistema.
Portanto, no projeto do controlador deve-se ter sempre o compromisso entre
tempo de resposta, sobre-sinal e tempo de acomodação.
Como no projeto foi empregada a metodologia de Ziegler-Nichols, obteve-se
como resultado um bom comprometimento entre essas características.
4.5 Resultados do Sistema de Transmissão e Recepção de Dados
via TCP/IP
Como discutido na metodologia dessa seção, os dados coletados pelo
sistema de aquisição são enviados em blocos a partir do computador servidor aos
clientes conectados.
O ajuste do tempo de envio dos blocos e a taxa de aquisição dos dados são
feitos através de caixas de seleção, conforme mostradas na Figura 4.6. O intervalo
de envio da imagem da câmera pode ser ajustado através de sua correspondente
caixa de seleção, ou pode-se selecionar a opção de ajuste automático, de modo que
o computador servidor determine a melhor taxa de envio para cada cliente.
O ajuste automático é feito de acordo com o tempo que o cliente leva para
receber todos os bytes de uma imagem. Assim, como mencionado anteriormente,
130
não há necessidade de se enviar imagens a cada 250 ms a um cliente que leva 500
ms para receber todos os bytes de uma imagem.
O programa do cliente possui caixas de logs que registram o horário de
recebimento dos blocos de dados, imagens e a latência da rede.
Na Figura 4.10 são mostrados os logs gerados durante a recepção de dados
e imagens do servidor pelo programa do cliente.
Figura 4.10. Logs gerados no programa do cliente ao receber dados e imagens do
servidor.
Como se pode observar nessa figura, os logs permitem saber o horário exato
que um determinado bloco de dados foi recebido pelo cliente.
Na Figura 4.2(b) mostrada anteriormente, é exibido no programa do cliente o
delay dos dados recebidos em um label. Esse delay corresponde ao intervalo de
tempo que um cliente leva para receber todos os bytes de um bloco.
131
Em outros labels nessa mesma figura é mostrado o tempo de conexão do
cliente ao servidor, a latência da rede e o número de blocos recebidos pelo cliente.
Assim, esses parâmetros correspondem aos dados que serão enviados ao painel
eletrônico de status, sendo, portanto, exibidos.
Ao receber um bloco de dados, o programa do cliente os plotará de uma só
vez nos seus respectivos gráficos.
Voltando-se à Figura 4.10, observam-se caixas de verificação no programa do
cliente. Essas caixas têm a função de fazer a solicitação dos tipos de serviços
disponíveis no servidor.
Como mencionado, nem todo cliente necessita de todos os tipos de serviços,
e isso contribui para se otimizar o desempenho do servidor, pois nesse caso, não é
necessário enviar todos os tipos de serviços para todos os clientes conectados,
somente os tipos de serviços que o determinado cliente solicitar.
Portanto, através das caixas de verificação, o cliente pode solicitar ao servidor
os tipos de serviços que ele desejar. Os tipos de serviço disponíveis no servidor são:
serviços de dados; serviço de imagem; e serviço de controle do sistema.
Na Figura 4.11 é mostrado como o cliente configura o tipo de controle e seu
valor.
132
Figura 4.11. Configuração da ação de controle pelo programa do cliente.
Através da caixa de seleção “Tipo de Controle”, o usuário seleciona se deseja
ajustar a tensão de alimentação do motor, ou se deseja controlar a velocidade de
rotação do eixo do motor.
Feito isso, basta o usuário digitar na caixa de entrada correspondente o valor
desejado e pressionar o botão “Ok”.
Como comentado anteriormente, se o tipo de controle escolhido for o de
ajuste de tensão do motor, então quando o cliente enviar ao servidor um valor de
tensão a ser ajustado, este último acionará o sistema de ajuste de tensão, regulando
dessa forma a tensão desejada pelo cliente.
Se o tipo de controle escolhido for o da velocidade de rotação do eixo do
motor, então quando o servidor receber um valor de velocidade a ser ajustado, ele
irá alterar na Equação (3.27) a velocidade de referência do eixo do motor,
controlando dessa forma a velocidade do eixo do motor.
133
Na Figura 4.12 é mostrada a configuração do sistema de controle no lado do
servidor.
A partir da caixa de seleção “Controle” é possível selecionar se o controle
será feito pelos clientes ou pelo servidor. No caso de ser selecionada a opção
“Controle Servidor”, o controle do sistema será feito exclusivamente pelo servidor.
Nesse caso, os clientes não poderão controlar o sistema até que seja
escolhida a opção “Controle Cliente” no programa do servidor.
Figura 4.12. Configuração da ação de controle pelo programa do servidor.
Dentro da caixa de grupo “Controle do Sistema” é mostrado o nome do
controlador atual, o tempo que este está controlando o sistema, o tipo de controle e
o último valor de controle ajustado.
Toda vez que um controlador travar ou destravar o sistema, será registrado
no Log mostrado nessa mesma figura o nome do controlador e seu correspondente
134
número IP, consistindo portanto, de um histórico dos controladores que atuaram no
sistema.
Na Figura 4.13 (a) é mostrada a implementação do chat no programa do
servidor, enquanto que nas Figuras 4.13 (b) e (c) é mostrada essa implementação
no programa do cliente.
Para que um determinado cliente saiba quais são os demais usuários on-line,
é necessário que ele possua uma lista de clientes conectados. Assim, quando o
cliente se conectar ao servidor, ele receberá deste último a lista de clientes
conectados no momento.
Antes do cliente se conectar, é necessário que ele defina seu nome ou
apelido, escrevendo-o na caixa de texto “Apelido”, conforme mostrada na Figura
4.13 (b). Ao tentar se conectar ao servidor, este o adicionará com tal nome em sua
lista de clientes conectados, e ao mesmo tempo enviará uma mensagem a todos os
demais clientes, informando o nome do cliente que entrou. Dessa forma, o nome do
cliente será também adicionado na lista de usuários on-line dos demais clientes que
já estavam conectados no servidor.
Quando um cliente se desconecta, este é removido da lista de clientes
conectados do servidor, bem como é enviada por esse último, uma mensagem aos
demais clientes informando o nome do cliente que se desconectou, de forma a ser
removido de suas correspondentes listas de usuários on-line.
Procedimento análogo acontece quando um cliente altera seu nome ou
apelido. Nesse caso, o nome do usuário é alterado na lista de clientes conectados
do servidor, e é enviada uma mensagem aos demais clientes informando o nome do
cliente que trocou de apelido.
135
Através do chat, é possível manter conversas reservadas entre os clientes,
utilizando-se da caixa de verificação “Reservadamente” mostrada na Figura 4.13(b).
Dessa forma, um cliente pode conversar com outro, sem que os demais
clientes visualizem a conversa.
O servidor foi implementado de forma que seja o único que consegue
visualizar todas as conversas, mesmo as reservadas.
(a)
136
(b)
(c)
Figura 4.13. Implementação do chat no programa supervisório: (a) Chat no
programa do servidor; (b) Chat no programa do cliente 1; (c) Chat no programa do
cliente 2.
137
Para um cliente conversar com outro, basta selecioná-lo através da caixa de
seleção de usuários mostrada na Figura 4.13 (b), escrever a mensagem na caixa de
texto ao lado, e pressionar o botão “Enviar”.
O computador servidor é o responsável por fazer o gerenciamento das
conexões, bem como dos tipos de serviços solicitados por cada cliente. Assim, na
Figura 4.13 (a) é mostrado um Memo que armazena as informações dos clientes que
se conectaram ou desconectaram do servidor.
As informações armazenadas dos clientes nesse Memo são as seguintes:
nome do host, número IP, apelido do cliente, e status para indicar se ele se conectou
ou desconectou do sistema.
Esse Memo tem a função de armazenar o histórico de todos os clientes que
se conectaram e desconectaram do servidor, e não apenas se ele está conectado no
momento.
Para mostrar a lista de clientes conectados no instante atual, e o tipo de
serviço solicitado por cada cliente, foram implementadas 3 tabelas no programa do
servidor que aumentam de tamanho dinamicamente de forma a mostrar as
propriedades de cada cliente.
Essas tabelas são mostradas nas Figuras de 4.14 a 4.16.
138
Figura 4.14. Tabela de clientes conectados.
Figura 4.15. Tabela do serviço câmera.
139
Figura 4.16. Tabela do serviço dados.
A tabela de clientes conectados, mostrada na Figura 4.14, ilustra a relação de
todos os clientes que estão conectados naquele instante no servidor. Por meio dela,
o usuário pode visualizar para cada cliente o correspondente nome do host, o
número IP, o apelido do cliente no chat, e o número do cliente que corresponde à
ordem na qual o cliente se conectou ao sistema, sendo os clientes do topo os que
estão há mais tempo conectados no servidor.
A tabela do serviço câmera, ilustrada na Figura 4.15, mostra os clientes que
solicitaram o serviço de envio de imagem do sistema. Além das mesmas
propriedades apresentadas na tabela de clientes conectados, esta mostra também a
taxa de envio de imagem ajustada para cada cliente, bem como o delay médio que o
dado cliente demora a receber todos bytes de uma imagem. Esse tempo médio é
calculado como sendo a média dos tempos das 5 últimas imagens enviadas.
140
A última tabela apresentada na Figura 4.16 mostra os clientes que solicitaram
o serviço de envio de dados do sistema. Para essa tabela, além das propriedades da
tabela de clientes conectados, é também mostrada a latência média dos clientes que
solicitaram o serviço de dados, bem como o tempo que o dado cliente demora a
receber um bloco de dados.
Na Figura 4.13, é mostrado um exemplo de 2 usuários conectados ao
servidor, com nomes Fernando e Fábio, sendo que Fernando solicitou o serviço de
dados, enquanto Fabio solicitou o serviço de câmera. Como se pode verificar na
tabela de clientes conectados (Figura 4.14), os nomes dos dois usuários são
mostrados nessa tabela, como era de se esperar.
Como somente Fernando solicitou o serviço de dados, somente ele é
mostrado na tabela do serviço de dados (Figura 4.16). No caso da tabela do serviço
de câmera (Figura 4.15), apenas é mostrado o nome de Fábio, pois somente ele
solicitou esse tipo de serviço.
4.6 Resultados do Sistema de Supervisão de Parâmetros
O programa de supervisão de parâmetros tem o objetivo de verificar se os
valores dos parâmetros monitorados estão dentro de suas faixas de supervisão pré-
programadas. Nesse caso, o usuário pode programar os valores limites de operação
para cada parâmetro sob supervisão.
Na Figura 4.17 é mostrada a tela de edição das faixas de supervisão para
cada parâmetro do sistema através do programa do servidor. No lado do cliente, a
edição das faixas de supervisão é idêntica à mostrada para o programa do servidor.
141
.
Figura 4.17. Edição das faixas de supervisão dos parâmetros supervisionados pelo
programa do servidor.
Pressionando-se o botão de edição de faixas, uma tela de seleção do tipo de
faixa será exibida conforme mostra a Figura 4.18.
Figura 4.18. Seleção do tipo de faixa de supervisão.
142
Após a seleção do tipo de faixa, deve-se pressionar o botão “Configurar
Faixa”, onde é possível estabelecer os valores dos patamares da faixa de supervisão
conforme mostrado na Figura 4.19.
Figura 4.19. Edição dos patamares da faixa de supervisão selecionada.
Assim, através dessa interface, consegue-se facilmente configurar o tipo de
faixa de supervisão, bem como os valores dos patamares para cada parâmetro
supervisionado.
Se durante a operação do sistema o valor de determinado parâmetro
ultrapassar sua faixa de supervisão pré-programada, tanto no lado do cliente como
no lado do servidor, será enviada ao painel eletrônico de status a mensagem de que
o parâmetro ultrapassou sua faixa de supervisão sendo, portanto, exibida no painel.
Nesse caso, será também exibido no painel eletrônico de dados o valor
corrente desse parâmetro, interrompendo momentaneamente a seqüência de
exibição dos valores dos dados coletados.
143
4.7 Resultados do Sistema de Visualização de Parâmetros via
Painel Eletrônico de Mensagens
Como mencionado na metodologia descrita na Seção 3.7, para a exibição de
mensagens através dos painéis eletrônicos, foi primeiramente implementado um
programa para apenas exibir mensagens digitadas em uma caixa de texto, sendo
estas exibidas no painel eletrônico conectado à porta serial do computador. As
opções implementadas no programa projetado são mostradas na Figura 4.20.
Figura 4.20. Programa para exibição de mensagens através dos painéis eletrônicos.
Como se pode visualizar por essa figura, esse programa possui uma caixa de
texto que permite a edição da frase, bem como caixas de seleção para a escolha do
efeito e velocidade da mensagem. Após a edição da mensagem, basta pressionar o
botão “Enviar” para que a mensagem seja encaminhada ao microcontrolador do
painel, sendo, portanto, exibida.
Para o caso do painel de dados que consiste de um painel tricolor, é possível
configurar também a cor de cada linha da mensagem. Nesse caso, pode-se, por
144
exemplo, fazer com que as duas primeiras linhas sejam verdes, as duas seguintes
amarelas e as restantes vermelhas, dando assim um maior apelo visual à
mensagem. Esse exemplo é mostrado na Figura 4.20.
Após a implementação e testes desse programa, este foi adaptado aos
programas do cliente e do servidor, conforme mostrado na Figura 4.21.
(a)
145
(b)
Figura 4.21. Programa do painel eletrônico implementado no servidor e no cliente:
(a) Programa do servidor; (b) Programa do cliente.
Como se pode observar pela Figura 4.21 (a) e (b), a funcionalidade é similar
ao do programa implementado anteriormente, com a diferença que esse permite a
configuração individual dos parâmetros de exibição para cada painel.
Outra diferença é que para o programa do cliente, foi necessário adaptá-lo
para que o mesmo faça a exibição automática dos dados e informações de status do
sistema.
Na Figura 4.21 (a) e (b) são mostradas as configurações das mensagens
manuais digitadas pelo usuário para exibição nos painéis. No caso das mensagens
automáticas de dados e status, foi implementada uma tela de configuração para
cada parâmetro do sistema a ser exibido, conforme mostrado na Figura 4.22.
146
(a)
(b)
Figura 4.22. Tela de configuração de mensagens automáticas: (a) Mensagens
automáticas do painel de status; (b) Mensagens automáticas do painel de dados.
147
Através de caixas de seleção, o usuário pode selecionar o parâmetro do
sistema sob supervisão e escolher seu correspondente efeito e velocidade. Para
aplicar as configurações ao parâmetro, basta o usuário pressionar o botão “Aplicar
Efeito” após a seleção das suas propriedades de exibição.
O programa permite também que uma determinada configuração de exibição
seja aplicada a todos os parâmetros de uma só vez. Para isso, basta o usuário
selecionar na caixa de seleção “Aplicar em:“ a opção “Aplicar em Todos os
Parâmetros”, e em seguida pressionar o botão “Aplicar Efeito”.
Tanto as configurações dos painéis como as das faixas de supervisão podem
ser gravadas em arquivo, de modo a permitir que o usuário as carregue toda vez que
desejar.
Após a implementação do programa do painel, tanto no lado do cliente quanto
no lado do servidor, foram feitas modificações nestes de modo a permitir a exibição
de mensagens de alerta, no caso de algum parâmetro ultrapassar sua faixa de
supervisão pré-programada.
Se o valor de determinado parâmetro ultrapassar sua faixa de supervisão no
lado do servidor, este enviará aos clientes conectados, via TCP/IP, uma mensagem
informando que o determinado parâmetro saiu de sua faixa de operação, sendo,
portanto, exibida no painel de status de cada cliente conectado.
Outra funcionalidade adicionada foi permitir ao cliente escrever mensagens de
informação a serem exibidas em qualquer um dos painéis eletrônicos, permitindo
assim que mensagens complementares de informações possam ser adicionadas
pelos usuários do programa.
Esse procedimento é feito também no lado do servidor, permitindo que este
também tenha acesso aos painéis eletrônicos dos clientes. Nesse caso, as
148
informações do servidor seriam difundidas como uma espécie de broadcast a todos
os painéis dos clientes conectados.
A última modificação feita no programa do painel foi fazer com que a cor do
parâmetro sob supervisão fosse exibida de acordo com seu valor de status,
considerando a sua faixa de supervisão pré-programada.
Nesse caso, se seu valor corrente estiver dentro de sua faixa de supervisão,
este seria mostrado na cor verde no painel de dados. No caso do valor estar próximo
da extremidade da faixa, este seria então mostrado na cor amarela, indicando
atenção ao usuário.
No último caso, se esse valor ultrapassasse sua faixa de supervisão, ele seria
mostrado na cor vermelha, indicando que uma possível ação de controle deva ser
efetuada pelo cliente.
Portanto, a cor de cada parâmetro sob supervisão é mostrada de acordo com
seu valor de status.
A utilização de cores para a indicação do status dos parâmetros sob
supervisão constitui uma nova forma de utilização dos painéis eletrônicos coloridos,
que na grande maioria dos casos são utilizados apenas para dar um maior apelo
visual à mensagem, e não como uma função de status conforme a proposta dessa
pesquisa.
4.8 Resultados da Interface de Entrada via Controle Remoto
Infravermelho
Conforme descrito na metodologia dessa seção, foi projetado um módulo
receptor de infravermelho capaz de decodificar o sinal proveniente de um controle
149
remoto, e enviar o caractere ASCII equivalente à tecla identificada, via porta serial,
ao computador cliente conectado.
Na Figura 4.23 são mostrados o receptor de infravermelho projetado e o
controle remoto utilizado.
Figura 4.23. Receptor de infravermelho projetado e controle remoto utilizado.
Na Figura 4.24 é mostrada a edição da tensão de armadura do motor através
do painel eletrônico de status, utilizando o controle remoto infravermelho da Sanyo.
Edição da Tensão de Armadura do Motor
através do Controle Remoto
Módulo Receptor de
Infravermelho
Figura 4.24. Edição da tensão de armadura do motor através do painel eletrônico de
status.
Na Figura 4.25 é mostrada a edição da velocidade de rotação do eixo do
motor através do painel eletrônico de status.
150
Edição da Velocidade de Rotação do Eixo
do Motor através do Controle Remoto
Módulo Receptor de
Infravermelho
Figura 4.25. Edição da velocidade de rotação do eixo do motor através do painel
eletrônico de status.
Pelas Figuras 4.24 e 4.25 nota-se que a edição dos valores a serem enviados
ao computador servidor é bem simples, pois conforme o usuário for pressionando o
número desejado no controle remoto, o programa do cliente sabe a posição exata
em que esse caractere deve aparecer no painel eletrônico, concatenando assim os
caracteres recebidos.
Se um número for pressionado erroneamente, basta apertar a tecla “<” do
controle remoto, para que o último caractere digitado se torne o caractere “0” e a
próxima tecla pressionada entre nessa posição.
Para enviar a ação de controle ao computador servidor, basta o usuário
pressionar a tecla “>” do controle remoto após a edição do valor desejado no painel.
No instante em que a ação de controle for enviada, uma mensagem surgirá
no painel status, indicando que a ação de controle foi enviada, e exibindo também o
valor desejado pelo cliente.
O controle remoto pode ser utilizado tanto para a edição de valores de
controle a serem visualizados no painel, como também para a seleção de funções
específicas no programa do cliente.
151
Dessa forma, algumas teclas que não foram utilizadas para ajustar a tensão
ou a velocidade de rotação do eixo do motor foram aplicadas em funções
específicas, tais como: conectar/desconectar o cliente ao servidor; solicitar/parar o
serviço de envio de dados; e solicitar/parar o envio da imagem do sistema
monitorado.
Portanto, através do controle remoto é possível realizar algumas funções sem
a necessidade de utilizar o teclado do computador, flexibilizando assim a utilização
do programa supervisório desenvolvido.
152
153
5 Conclusões
Nesse trabalho foi apresentado um sistema supervisório via TCP/IP, que se
apresenta como uma alternativa viável na supervisão remota de sistemas, possuindo
um custo inferior a 20% do valor de um sistema supervisório comercial,
possibilitando dessa forma que sistemas de pequena escala possam também ser
supervisionados remotamente, sem a necessidade de grandes investimentos tanto
em hardware como em software.
Embora a aplicação do sistema supervisório desenvolvido seja na área de
máquinas elétricas, esse sistema pode ser generalizado para as mais diversas áreas
e aplicações onde é necessário realizar o monitoramento remoto.
A principal inovação proposta nesse trabalho, em comparação com os
sistemas supervisórios do tipo SCADA, consiste da utilização de painéis eletrônicos
para a exibição dos dados e informações de status do sistema, fornecendo assim,
uma nova interface visual ao usuário, facilitando então a sua supervisão.
A utilização de uma câmera digital no projeto possibilita que cada cliente
conectado ao servidor possa realizar uma inspeção visual do sistema, de modo a
detectar eventuais falhas de operação, consistindo assim, de uma ferramenta
adicional de auxílio na monitoração do sistema.
O chat implementado dentro do próprio programa supervisório torna muito
mais prática a comunicação entre clientes e servidor, dispensando então a utilização
de quaisquer programas adicionais para essa finalidade, tais como MSN, ICQ, IRC e
SKYPE.
O sistema supervisório desenvolvido foi projetado de acordo com a topologia
Servidor/Multi-Clientes, possibilitando que múltiplos clientes possam se conectar ao
154
mesmo tempo ao servidor e realizar seu monitoramento, tornando o mesmo
distribuído e não centralizado em um único computador.
O projeto dos circuitos de acionamento dos painéis eletrônicos nessa
pesquisa contribui para disseminar o domínio tecnológico presente nas indústrias de
painel eletrônico, permitindo que novos trabalhos nessa área de pesquisa possam
ser realizados, tanto para o painel eletrônico monocromático quanto para o painel
eletrônico tricolor.
O emprego de um módulo receptor de infravermelho no sistema permite que o
usuário possa ajustar a ação de controle a partir do painel de status, utilizando-se de
um controle remoto, flexibilizando assim o sistema supervisório desenvolvido, pois
este pode ser monitorado e controlado sem a necessidade de utilizar diretamente o
computador.
Como trabalhos futuros a serem explorados, pode-se buscar novas
aplicações para o sistema supervisório desenvolvido, bem como melhorar o sistema
de aquisição de dados objetivando aumentar a taxa de aquisição e transmissão dos
dados coletados, permitindo assim, que o sistema supervisório possa ser utilizado
para monitorar grandezas que possuam componentes de alta freqüência em tempo
real.
Trabalhos na área de painéis eletrônicos podem também ser explorados de
forma a se otimizar o hardware de acionamento dos painéis eletrônicos, bem como
podem ser adicionadas mais linhas ou colunas em relação aos painéis
desenvolvidos nessa pesquisa, possibilitando assim, que painéis maiores possam
ser construídos e um maior número de informações possa ser exibida em um
mesmo painel.
155
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